統一頻率與電容測量的石英晶體靜電容方法

1． 引言

石英晶體諧振器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體）作為一種性能優(yōu)良的頻率基準和時(shí)鐘源在電子領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。石英晶體的中間測試在石英晶體的生產(chǎn)中是處于微調和封裝之間的工序，要求對石英晶體的基本電參數進(jìn)行測量，以保證產(chǎn)品最終質(zhì)量。在石英晶體的中間測試中，需要測量串聯(lián)諧振頻率、串聯(lián)諧振電阻、負載諧振頻率、負載諧振電阻、靜電容、動(dòng)電容、頻率牽引靈敏度和DLD等參數。其中，靜電容C0主要由石英晶體兩端所鍍銀膜決定，表征了石英晶體的靜態(tài)特性，與石英晶體的串聯(lián)諧振頻率和負載諧振頻率等應用指標密切相關(guān)。根據靜電容和其它參數的關(guān)系，還可以計算出負載諧振電阻、動(dòng)電容、頻率牽引靈敏度和DLD等參數的值，這在實(shí)際測量中是經(jīng)常采用的方法。靜電容的測量是石英晶體中間測試的重要內容。目前，IEC（國際電工委員會(huì )）所推薦的石英晶體測量的標準方法是π網(wǎng)絡(luò )零相位法。在該方法中，未規定測量靜電容的標準方法。若采用諧振法、交流電橋法等常用方法來(lái)測量靜電容，會(huì )增加整個(gè)測量系統的復雜性，并且對諧振頻率的測量產(chǎn)生不利影響。本課題提出了一種基于π網(wǎng)絡(luò )零相位法的測量石英晶體靜電容的新方法，并據此設計制作了實(shí)驗測量系統。

2．測量原理與電路

2．1石英晶體的等效電參數模型

石英晶體的等效電參數模型如圖1所示：

其中，C0是石英晶體兩電極間的電容，稱(chēng)為石英晶體的靜電容，C1稱(chēng)為石英晶體的動(dòng)電容，L1稱(chēng)為石英晶體的動(dòng)電感，R1表示石英晶體在振動(dòng)時(shí)的損耗，稱(chēng)為串聯(lián)諧振電阻。當激勵信號的頻率等于石英晶體的諧振頻率時(shí)，其等效電參數模型為純電阻。由于C1、L1的值非常小，當激勵信號的頻率遠離石英晶體的諧振頻率時(shí)，R1、C1、L1的影響可以忽略不計，此時(shí)，石英晶體等效成一個(gè)值為C0的電容。

2．2 π網(wǎng)絡(luò )法原理

IEC所推薦的π網(wǎng)絡(luò )如圖2所示：

網(wǎng)絡(luò )的阻抗與測試儀表的阻抗相匹配，并衰減來(lái)自測試儀器的反射信號。M為待測石英晶體。Va是輸入激勵信號，Vb是π網(wǎng)絡(luò )輸出信號，它們都是矢量電壓信號。當石英晶體處于諧振狀態(tài)時(shí)，其表現為純電阻特性，此時(shí)Va與Vb之間相位差為零，Va的頻率即為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率。所以，通過(guò)改變Va的頻率并檢測Va與Vb之間相位差可以找到石英晶體的諧振頻率。對于π網(wǎng)絡(luò )中石英晶體的靜電容如何測量，IEC并未推薦標準方法。?π網(wǎng)絡(luò )由對稱(chēng)的雙π型電阻回路組成，R1、R2和R3構成輸入衰減器，R4、R5和R6構成輸出衰減器，它們的作用是使

2．3 常用測電容的方法

常用的測量電容方法主要有諧振法、交流電橋法和充放電法。諧振法是將電容引入振蕩電路中，使得振蕩頻率成為電容的函數，通過(guò)測量該頻率值來(lái)計算電容值。交流電橋法將電容接入交流電橋中，調整電橋中的可調電阻和可調電容使得電橋平衡，根據平衡時(shí)電橋各臂的電阻和電容值計算被測電容值。充放電法使用交流信號源對電容充電，然后將電容接入放電電路中，通過(guò)測量電容的放電時(shí)間來(lái)計算電容值。由于π網(wǎng)絡(luò )法是通過(guò)測量π網(wǎng)絡(luò )兩端的矢量電壓來(lái)得到石英晶體電參數值，與上述三種方法并不一致，所以如果采用這三種方法測量石英晶體的靜電容都需要增加額外的測量電路，并且會(huì )因此增加π網(wǎng)絡(luò )電路的雜散項，對測量石英晶體的諧振頻率產(chǎn)生不利影響。

2．4 基于π網(wǎng)絡(luò )的靜電容測量方法

利用DDS（直接數字頻率合成）信號源作為激勵源，其輸出交流信號頻率遠離石英晶體諧振頻率，該信號激勵接有被測石英晶體的π網(wǎng)絡(luò )。此時(shí)，石英晶體等效于一個(gè)值為C0的電容。π網(wǎng)絡(luò )的輸出電壓與該電容存在一定的函數關(guān)系，由于輸入電壓和π網(wǎng)絡(luò )的參數已知，測量輸出電壓并根據這一函數關(guān)系，可以計算出C0值。這種方法與測石英晶體諧振頻率的方法很相似，都需要利用DDS輸出信號作為激勵信號并檢測π網(wǎng)絡(luò )輸出的矢量電壓。兩者區別在于測量諧振頻率要求檢測輸入電壓和輸出電壓之間相位差，而測量靜電容則要求測量輸入電壓和輸出電壓的幅值。因此，對這兩個(gè)矢量電壓信號采用幅相檢測的辦法可以使測量石英晶體的諧振頻率和靜電容統一起來(lái)。

原理框圖如圖3所示：

其中，DDS輸出兩路幅值、頻率和相位均相同的信號。一路激勵π網(wǎng)絡(luò )，另一路輸入幅相檢測模塊。本課題要求石英晶體諧振頻率的測量范圍為0～200MHz。在這一范圍內選取30MHz和68MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)作為激勵信號的設定頻率。具體方法是，當石英晶體的諧振頻率在30MHz附近時(shí)，設定DDS輸出信號頻率為68MHz，反之，則設為30MHz。激勵信號經(jīng)過(guò)π網(wǎng)絡(luò )后輸出電壓如式

3． 測試系統設計

3.1 測試系統硬件設計

測試系統硬件框圖如圖4所示：

測試系統硬件由計算機、CPLD芯片、DDS信號源、π網(wǎng)絡(luò )、幅相檢測模塊和A/D轉換器組成。其中， CPLD、DDS、幅相檢測模塊和A/D轉換器集成在一塊PCI擴展板上。作為控制核心的計算機通過(guò)PCI接口發(fā)出的地址和數據信號由CPLD芯片轉換為相應的控制邏輯控制DDS、幅相檢測模塊和A/D轉換器工作。DDS信號源發(fā)出設定頻率、相位和幅值的信號激勵π網(wǎng)絡(luò )。π網(wǎng)絡(luò )上帶有插座，可插入晶體或電阻、電容等元器件。π網(wǎng)絡(luò )輸出的矢量電壓信號Vb接入幅相檢測模塊。幅相檢測模塊的輸出直流電壓輸入A/D轉換器，轉換為數字信號后經(jīng)CPLD輸入計算機。

3.2 測試系統軟件設計

測試軟件采用Visual C＋＋語(yǔ)言編寫(xiě)，實(shí)現人機交互界面、測量控制和數據處理的功能。測量控制包括對DDS各通道頻率、相位和幅度控制字的設置，以及對A/D轉換器內部指令寄存器的寫(xiě)入和轉換結果的讀取。數據處理部分主要是對已轉換為數字量的幅相檢測模塊的輸出直流電壓進(jìn)行計算，由前述關(guān)系得出靜電容的值。由于在實(shí)際測量條件下， 該直流電壓與Vb之間并不是嚴格的對數線(xiàn)性關(guān)系，所以需要對這一函數關(guān)系進(jìn)行擬合，根據擬合后的關(guān)系，可由直流電壓值計算出Vb，然后按照前面所列方程，得到靜電容C0的值。

4． 實(shí)驗數據與處理

以SA公司的250B作為標準儀器，將采用本方案所測得的C0值與250B的測量結果進(jìn)行比對，檢驗測量精度是否滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)要求。在工業(yè)生產(chǎn)中，要求石英晶體靜電容的測量范圍為1～10pF，測量誤差小于0.1pF。實(shí)驗數據如表1所示：

5．結論

在π網(wǎng)絡(luò )零相位法的基礎上，采用了“DDS激勵、π網(wǎng)絡(luò )響應、幅相檢測計算容抗”的方法測量石英晶體的靜電容，并由此設計制作了實(shí)驗測量系統來(lái)實(shí)現該方案。該方法把測量石英晶體的靜電容和諧振頻率統一起來(lái)，簡(jiǎn)化了測量電路。通過(guò)實(shí)際測量一批晶體和小電容，證明在1～10pF范圍內測量誤差小于0.1pF,能滿(mǎn)足實(shí)際要求，可以在此基礎上開(kāi)發(fā)實(shí)際的石英晶體中間測試系統。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：采用“DDS激勵、π網(wǎng)絡(luò )響應、幅相檢測計算容抗”的方法測量石英晶體的靜電容，實(shí)現了頻率測量與電容測量的統一。