（测试计量技术及仪器专业论文）石英晶体负载谐振电阻测试技术研究.pdf

摘要 摘要 本论文分析了石英晶体负载谐振状态下的电参数模型，研究了网络零相位法在 石英晶体负载谐振电阻测试技术中的应用。对影响负载谐振电阻测试精度的因素进行 分析，并在分析基础上改进了石英晶体负载谐振电阻测试系统。 影响石英晶体负载谐振电阻测试精度的因素有很多，除串联谐振电阻和静态电容 外，瓤网络分布参数也是一个很重要的影响因素。课题对强网络实际模型进行研究， 分析了网络模型的分布电容及引线电感对测试结果的影响，给出了石英晶体静态电 容和负载谐振电阻的实际计算公式。分布电容及引线电感的存在会使高频信号经过兀 网络时产生相位偏移，此相移对丌网络零相位法石英晶体负载谐振电阻的测试存在很 大影响。测试系统采用补偿校准的方法减小网络分布参数对静态电容和负载谐振电 阻测试精度的影响，提高了测试精度。 测试系统由计算机进行控制，信号经c p l d 处理后对测试系统进行控制。信号源 输出信号分别经过网络、鉴幅器、鉴相器、放大电路、a d 转换器后交由计算机进 行处理。 测试软件在m i c r o s o f tv c 6 0 环境下开发。采用人机交互式测试界面，提供参数 设置、相位校准、幅度校准等功能。此外，测试界面还提供测试数据图形化显示的功 能，将测试结果通过柱状图形式显示，使对石英晶体电参数测试稳定性的判断更容易。 校准程序采用了逐次逼近算法j 有效提高了负载谐振电阻的测试精度。 长期测试实验表明，测试系统运行稳定。在i m h z 2 0 0 m h z 的测量范围内，石英 晶体串联谐振电阻的测试误差小于1 0 ( 或2 q ) ，静态电容测试误差小于0 1 p f ， 负载谐振电阻测试误差小于1 5 ( 或2 q ) 在实际应用中，石英晶体通常工作予负载谐振状态。因此，此状态下对其电参数 的测试具有十分重要的意义。课题研究成果有利于促进我国石英晶体负载谐振参数测 试方法与国际标准测试方法的统一，也有利于兀网络零相位法石英晶体负载谐振电阻 在实际测试系统中的应用。 关键字：石英晶体；兀网络；负载谐振电阻；测试 a b s t r a c t q u a r t zc r y s t a lu s u a l l yw o r k si nt h el o a dr e s o n a n ts t a t e s o ，t h em e a s u r e m e n to f e l e c t r i c a lp a r a m e t e r si nt h i ss t a t ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h ep a p e ra n a l y s e st h ee l e c t r i c a l p a r a m e t e rm o d e l ，a n ds t u d i e st h eu s eo fz e r op h a s e 兀n e t w o r ki n l o a dr e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra l s oa n a l y s e sf a c t o r sw h i c h a f f e c t st h ea c c u r a c y o ft h el o a dr e s o n a n tr e s i s t a n c e ，a n di m p r o v e dt h eq u a r t zc r y s t a lr e s o n a t o r t e s ts y s t e m t h e r ea r em a n yf a c t o r si na f f e c t i n gq u a r t zc r y s t a l r e s o n a t o rl o a dr e s i s t a n c e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so f xn e t w o r ka r ev e r yi m p o r t a n tf a c t o r s b e s i d eo fs e r i e sr e s o n a n c er e s i s t a n c ea n ds t a t i cc a p a c i t a n c e t h ep a p e rs t u d i e st h ea c t u a l 兀 n e t w o r km o d e l a n a l y s e st h ea f f e c t st ot e s tr e s u l to fd i s t r i b u t i o nc a p a c i t o r sa n d i n d u c t o r s ， a n dg i v e st h ea c t u a lf o r m u l ao ft h eq u a r t zc r y s t a lr e s o n a t o rl o a dr e s i s t a n c ea n ds t a t i c c a p a c i t a n c e w h e nh i g h - f r e q u e n c ys i g n a l sp a s st h r o u g h7 【n e t w o r k ，i t sp h a s e w i l ls h i f t t i l e p h a s ei m p a c t sr e s o n a n tl o a dr e s i s t a n c em e a s u r e m e n tr e s u l tg r e a t l y t h i ss u b j e c tu s e s c a l i b r a t i o nm e t h o dt oi m p r o v et h er e s o n a n tr e s i s t a n c et e s ta c c u r a c y t h es o f t w a r eo fq u a r t zc r y s t a le l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s ts y s t e mu s e sh u m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e i ti n c l u d e sd a t a b a s et e c h n o l o g ys o t h a to n ec a nm q u t r yt h e m e a s u r e m e n td a t ai nt i m e b e s i d e s ，t h et e s ts y s t e ms o f t w a r ep r o v i d e sg r a p h i c a lf u n c t i o n ，i t s h o w st h em e a s u r e m e n tr e s u l ti ng r a p h i c a l ，t h i sm a k e si tm o r ee a s i l yt od e t e r m i n et h e q u a l i t yo fq u a r t zc r y s t a l t h ec a l i b r a t i o np r o c e d u r eu s e sa p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m ，a n d i t e f f e c t i v e l yr a i s e st h er e s o n a n tr e s i s t a n c ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta c c u r a c y l o n g - t e r mm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t ss h o w st h a tt h et e s ts y s t e mr u n ss t a b l y , a n dt h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sm e e tt h ea c c u r a c yr e q u e s t ：t h es y s t e m n o m i n a l f r e q u e n c y l s 1m h z - 2 0 0 m h z ，t h es e r i e s r e s o n a n c er e s i s t a n c et e s t i n ga c c u r a c yh i g h e r t h a n lo ( o r 2q ) ，s t a t i cc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n ta c c u r a c yh i g h e rt h a n4 - 0 1p f , l o a d r e s o n a n tr e s i s t a n c eh i g h e rt h a n 15 ( o r 2q ) t h es u b j e c ti m p r o v e st h et e s ts y s t e m t h en e wt e s ts y s t e mc a n m e a s u r eq u a r t zc r y s t a l l o a dr e s o n a t o ra n ds t a t i cc a p a c i t a n c ea c c u r a t e l y i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et op r o m o t et h e m e a s u r e m e n to fq u a r t zc r y s t a le l e c t r i c a lp a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，s u b j e c tr e s e a r c h r e s u l t sw i l lh e l pp r o m o t er e s e a r c hi nq u a r t zc r y s t a ll o a dr e s o n a t o rp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：c a l c u l a t e dm e t h o d ，f r e q u e n c y h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名：粥、 舯，月) 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授 权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 u 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为石英晶体负载谐振电阻测试技 术研究学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字：渊1 砷年月d 日 i i i 第一章引言 第一章引言 1 。1 石英晶体测试技术研究现状及发展趋势 石英晶体谐振器( 以下简称石英晶体) 是由压电单晶石英( 即水晶) 制成的压电 器件，它具有长期频率稳定性好、品质因数高、成本低、体积小等优点，适应现代集 成工艺的要求，因而被广泛应用于时钟、电视机、自动控制设备、卫星通讯、卫星导 航等电子产品上。随着现代电子技术的飞速发展，一些高科技应用领域对石英晶体元 器件产品的性能也提出越来越高的要求，主要表现在谐振频率向高端发展、谐振频率 精度要求更高、激励功率更低等方面。这也就对石英晶体电参数测试仪器提出了更 高的要求。 目前，石英晶体元器件的市场需求量正在快速增长，受到了世界的极大关注。我 国作为石英晶体元器件生产大国，具备年产8 0 亿只的生产能力。虽然总体产量很高， 但我国石英晶体生产厂商分布散乱，规模小，产品档次低。与发达国家相比，产品质 量、技术水平和科研能力等存在较大的差距，特别是石英晶体电参数测试技术和设备 的水平较低乜3 。目前国内石英晶体电参数测试设备大多仍依赖进口，这些设备价格昂 贵，严重限制了我国石英晶体制造行业的发展。 在实际应用中，石英晶体经常与电容串联在一起使用。这种情况下，当石英晶体 与负载电容整体处于谐振状态时，其谐振参数会发生变化，我们称之为负载谐振状态 口1 。当石英晶体与负载电容串联后，电路中会产生杂散电抗。其中较为明显的是在负 载电容与石英晶体的连接点处的分布电容、石英晶体两端的分布电容以及电路中产生 的引线电感。这些分布参数的存在都会影响石英晶体负载谐振参数的测试精度，也是 石英晶体负载谐振参数测试的技术难点。 i e c ( 国际电工委员会) 规定的兀网络零相位法石英晶体负载谐振电阻的测试方 法主要有两种，一种是计算法，另一种是物理电容法。 在用物理电容法测试石英晶体负载谐振参数时，需要在石英晶体测试座中接入负 载电容：测量时，将石英晶体与负载电容看作一个整体，调整信号源输出信号频率并 检测兀网络两端相位差。当该相位差为零时，石英晶体与负载电容组成的整体处于谐 振状态，可以等效成一个纯电阻，此时的丌网络为纯电阻网络h 1 。根据网络输入、 输出端之间的关系以及此时两端的电压值，便可以得到石英晶体负载谐振电阻。 当负载电容被引入到网络中后，石英晶体和负载电容之间的连接点成为一个高 阻抗点，这个点上的分布电容对测试结果会产生十分明显的影响畸1 ，增加了兀网络实 际电参数模型分析的难度。此外，当经过兀网络信号的频率变化时，石英晶体与负载 第一章引言 电容连接点处的分布电容所产生的阻抗会随之发生变化。因此，在测量之前需要对分 布电容进行线性拟合。 用物理电容法测试石英晶体负载谐振电阻的优点是测试结果的重复性精度较高， 但由于分布参数的存在，导致其测试结果精度偏低，且拟合后分布电容的任何偏差都 会引起石英晶体负载谐振电阻测试结果的不准确1 。 测试石英晶体负载谐振电阻的另外一种方法是计算法。在这种测试方法中，石英 晶体测试座中不需要外接负载电容，其负载谐振电阻可在完成串联谐振电阻和静态电 容两个参数的测试后直接由公式计算得到。 与物理电容法相比，计算法的优点在于分布参数对测试结果的影响被减到最小： 由于不需要外接负载电容，也就最大限度的减小了石英晶体与负载电容连接点处分布 电容的引入所产生的影响口1 。 此外，计算法是传输系统测试负载谐振电阻的最简单方法。这种方法的优点是串 联谐振电阻和静态电容等参数的测试精度和重复性精度不受测试方法的影响。其另一 优点是在计算负载谐振电阻时不需要进行附加的测试，通过计算就可以直接得到石英 晶体负载谐振电阻的值。这样，石英晶体电参数的总体测试时间基本不受负载谐振电 阻测试时间的影响，提高了测试系统的测试速度婢1 。 目前较先进石英晶体电参数测试设备主要采用7 t 网络零相位法进行测试。典型测 试仪器是美国s a u n d e r s & a s s o c i a t e s ( s & a ) 公司的2 5 0 b 石英晶体测试仪，其频率测试 范围为1 5 k h z - 2 0 0 m h z ，能测试包括负载谐振电阻在内的多种石英晶体负载谐振参 数。该公司最近推出的2 5 0 c 测试系统在保证了石英晶体电参数测试精度的前提下将 频率测试范围扩展到了5 0 0 m h z 。 国内研制的石英晶体测试仪器主要采用阻抗计法。使用阻抗计法的石英晶体测试 仪由于其制造成本较低和技术简单等优点，被广泛应用于石英晶体电参数测试系统 中。具有代表性的仪器为北京信息科技大学光电信息与通信工程学院电子测量研究室 设计的c i m d 型石英晶体测试仪。随着石英晶体生产行业的发展，使用阻抗计法的测 试系统测试范围和测试精度都已不能满足当前石英晶体生产行业的测试要求。电子测 量研究室又开发了n 网络零相位法石英晶体电参数测试系统，它代表了国内网络零 相位法测试技术研究的先进水平。在1 m h z 、2 0 0 m h z 的频率范围内，该系统串联谐振频 率测试误差小于2 p p m ，串联谐振电阻测试误差小于1 0 ( 或2 q ) 。由于负载谐振 状态下石英晶体及氕网络分布参数的影响，该系统对石英晶体负载谐振电阻的测试仍 然存在问题，包括测试精度低、稳定性差等，制约了该系统的应用范围。 2 第一章引言 1 2 主要研究内容及意义 本课题来源于北京市自然科学基金项目“基于兀网络零相位法石英晶体测试技术 研究”( 项目编号：k z 2 0 0 8 1 1 2 3 2 0 1 8 ) 。并且得到北京市重点实验室( 机电系统测控) 开放课题支持。 课题主要研究工作为7 【网络零相位法在石英晶体负载谐振参数测试系统中的应 用。涉及到石英晶体串联谐振电阻、静态电容和负载谐振电阻等三个参数的测试。研 究内容包括负载谐振状态下石英晶体实际电参数模型分析和兀网络分布参数对测试结 果的影响，并在分析研究的基础上对测试系统进行改进，最终完成石英晶体串联谐振 电阻测试精度的提高以及静态电容和负载谐振电阻的测试。课题要求负载谐振电阻测 试误差小于1 5 ( 或2 q ) 。 石英晶体负载谐振电阻是石英晶体最基本、最常用的参数之一，同时也是很难准 确测量的参数。因此，研究符合i e c 网络零相位法的石英晶体负载谐振参数测试系 统对于打破国外先进测试设备的垄断、提高我国石英晶体测试技术水平具有重要意 义。 本论文分五章进行介绍，分别为： 第一章：概述，介绍石英晶体负载谐振电阻测试方法的研究现状、发展趋势及主 要研究内容。 第二章：对石英晶体负载谐振电阻的不同测试方法进行研究、比较，选取最符合 课题要求的方法进行详细介绍。本章还介绍了石英晶体静态电容的测试方法。 第三章：介绍石英晶体负载谐振电阻测试系统设计。结合第二章理论分析的结果， 对测试系统工作方式进行说明，同时给出了石英晶体静态电容测试电路的具体设计方 案，并对静态电容的测试方法进行介绍。 第四章：实验数据及测试结果分析，对测试系统进行评价。 第五章：结论与展望。总结前期工作的成果，分析了测试系统的优缺点，对今后 的工作提出建议。 1 3 本章小结 石英晶体负载谐振电阻测试是石英晶体实际应用中的一个重要参数，本章主要介 绍了石英晶体电参数测试技术的国内外发展现状及趋势。由于在实际使用中，石英晶 体经常工作在负载谐振状态下，因此，对石英晶体负载谐振电阻的测试也越来越为各 石英晶体生产厂商所重视。本课题主要研究了石英晶体静态电容的测试和兀网络零相 位法在石英晶体负载谐振电阻测试中的应用，并在此基础上完成高频石英晶体测试系 3 第一章引言 统的电路设计及调试，同时编写相应的测试软件。课题成果有助于推动我国石英晶体 负载谐振参数测试技术的研究与应用，对于提高石英晶体负载谐振参数测试水平具有 十分重要的意义。 4 第二章石英晶体负载谐振电阻测试方法研究 第二章石英晶体负载谐振电阻测试方法研究 2 1 石英晶体的电气特性 2 1 1 石英晶体电参数等效模型 石英晶体是一种重要的压电晶体材料，借助有源激励和无源电抗网络可以产生振 荡。当在石英晶体的两个电极上施加一电场时，晶片就会产生机械变形，同样在晶片 的两侧施加机械压力，在石英晶片相应的方向上将会产生电场，这种物理现象称为压 电效应。如果在晶片的两极上旌加一个交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片 的机械振动又会产生交变电场四1 。一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振 幅非常微弱，但当夕l - ) j h 交变电压的频率为某一特定值时，石英晶片产生谐振，振幅明 显加大，这种现象称为压电谐振，它与l c 回路的谐振现象十分相似，其效果相当于 在电路中串联一个由电阻、电容和电感组成的回路。石英晶体的谐振频率与晶片的切 割方式、几何形状、尺寸等有关【1 0 1 。 在串联谐振状态下，石英晶体等效电路模型如图2 1 所示 图2 1 石英晶体等效电路模型 图2 1 中，c o 称为石英晶体静态电容，由石英晶片拯两端金属膜产生，它表征 了石英晶体的静态特性，典型值一般在1 p f l o p f 范围内。称为串联谐振电阻，表 示石英晶体振动时的摩擦损耗，典型值为1 0 0q - 1 0 2 q 之间。c i 称为动态电容，其典 型值为1 0 。p f l o 4 p f ，l l 为动态电感，典型值在1 0 弓h ( 低频石英晶体) 到l o 刁h ( 高 频石英晶体) 范围内。l 。和c 。的数值大小取决于石英晶体的切型、振动模式、频率范 围、外形尺寸和电极设置等因素。r r 、c i 和l i 所在支路称为石英晶体的动态臂，c o 所在支路称为石英晶体的静态臂【1 1 1 。一方面，当石英晶体处于串联谐振状态时，它可 等效为串联谐振电阻，根据此特性可以测试出石英晶体的串联谐振电阻。另一方 面，由于c i 与c o 的值相比较很小，因此，当# l - ) j h 激励信号的频率远离石英晶体的串 联谐振频率时，石英晶体等效为一个值为c o 的电容器。根据这一特性，可以测得石 英晶体的静电容值。 -，_j_-_-_r_，i_l 第二章石英晶体负载谐振电阻测试方法研究 2 1 2 石英晶体的特性 由2 1 1 节石英晶体等效电参数模型可得石英晶体阻抗为 二j r 。；c o 已r ，- + j ( c o l ic。剑ci旺，) 即水一志一去) 根据石英晶体等效电路模型及式2 1 ，可得出其阻抗一频率特性变化曲线如图2 2 所示。整个频段可以分成三个部分：在i 部分中，f f o ，石英晶体呈容性：在i i 部分， f o 开路校准 的顺序进行校准，整个过程需要约2 0 分钟的时间。技准过程中可以通过点击“停止” 按钮中止校准，执行该指令后系统校准数据将恢复到校准之前的状态。校准完成后点 击“校准完成”按钮保存新校准数据。整个校准过程是在单独的线程中执行的，不会 影响计算机的其它操作。这里需要注意的是校准过程中不能用手接触石英晶体测试座 中的短路片或5 0 q 电阻因为这会增加额外的分布参数，使校准结果受到影响，从 而影响石英晶体谐振参数的测试。 图36 为测试参数设置界面，单击主测试界面中的l ：u 和l ! 垒瞻钮，系统 会增加、删除或覆盖测试参数。在增加或覆盖测试参数时，可以通过澍试参数设置界 面设置所测参数的属性。如参数单位、显示范围、扫描方式、扫描范围和扫描步距等。 3 4 2 补偿软件的设计 测试系统的校准软件有效补偿了硬件电路设计中的不足。图3 7 为校准软件设计 流程图，分别需要经过测试前初始化、信号源工作方式和a d 转换器工作方式设定、 幅度检测器a d 6 0 8 值读取、相位检测器a d 8 3 0 2 值的读取及判断，以及校准完成后 的校准数据的存储等几个过程。 在开始测试之前，需要对测试系统进行校准，包括开路校准，5 0 0 电阻校准和短 路校准三部分。开路校准时，保持石英晶体插座开路，不断向系统信号源写入频率控 制字，使其输出信号频率在1 m h z 2 0 0 m h z 范围内扫描，步距为02 m h z 。在此过程 第! 市i - 蔸晶体负拽谐振电m 测试系统设计 中记录每个频率点处a d 转换器的输出值。理论上，石英品体插座丌路时幅度检测 器a d 6 0 8 输入信号为零，此时a d 转换器输出值也应浚零但实验过程中发现，石 英晶体插座开路时a d 转换器输出端仍有信号输出。开路校准的日的正是为了消除 漂移信号所引起的误差。 开路校准完成后，校准程序进入短路校准过程。该校准过程仍然是控制系统信号 源，使其输出信号频率以02 m h z 的步距在l m h z - 2 0 0 m h z 范围内扫描。在扫描过程 巾记录各频率点处a d 转换器的输出值。系统所用信号源a d 9 9 5 9 的输出信号幅度 奉可咀通过所写入的幅度控制字读取的，但出于在设计过程中，输出信号是经过了七 阶椭圆函数滤波器之后才进入测试曩统的，因此，为保证测试精度，n 网络输入信号 幅度不能由a d 9 9 5 9 幅度控制字直接读取。丌路校准正是为了获取网络输入端信号 幅度而设计的。 5 0 0 电阻按准是校准过程中最重要的一个环节，也是耗费时间最长的环节。由于 分立元件影响及系统电路板的非绝对对称结构，测试信号经过网络和补偿网络后会 产生相位偏移，为避免相位偏移带来的影响，测试前需要逐点校准，频率扫描范围及 扫描间距与开路校准及短路校准相似。但在每个频率点处需要保持补偿网络所在通道 信号相位不变，同时调整n 网络所在通道相位控制字，使相位在0 。3 6 0 。以l o 为 步距进行扫描，读取a d 8 3 0 2 输出电压，当电压值为1 8 v 时( 此时网络与补偿网 络相位差为零) ，记录n 网络所在通道相位偏移值，此相位偏移值即为校准相位值。 在每个频率点处的校准中还需要同时记录幅度检测器a d 6 0 8 的输出电压，此电压在 第三章石英晶体负载谐振电阻测试系统设计 测试石英晶体串联谐振频率时使用。 - 相位值+ 1 0 否一j 频率值+ 0 2 m h z 3 4 3 测试软件设计 否 图3 7 校准软件流程图 校准完成之后便可以进行后续的测试工作了。测试之前，输入待测石英晶体的标 称频率值，按“确定 按钮后测试系统会从文件中读取距该点最近的频率点处的相位 补偿值。并将分别按照输入的石英晶体标称频率和读取的相位补偿值设定信号源的频 率控制字及相位控制字。该过程完成后便进入信号源的频率扫描阶段：信号源以标称 频率为中心点，以固定步距为间隔，在设定的频率扫描范围内由低频到高频进行扫描， 同时检测相位检测器a d 8 3 0 2 的输出值，当a d 8 3 0 2 输出电压最大时，表明丌网络两 端相位差为零，石英晶体处于串联谐振状态，此时信号源输出频率即为石英晶体串联 第三章石英晶体负载谐振电阻测试系统设计 谐振频率。串联谐振频率测试流程如图3 8 所示。 将所测串联谐振频率值写入信号源频率控制寄存器，同时保持信号幅度和相位不 变，使石英晶体处于串联谐振状态。读取谐振状态下a d 6 0 8 输出端电压值并利用3 3 节公式( 3 5 ) 就可以求出石英晶体的串联谐振电阻。 频率+ 扫描步距 否 图3 8 串联谐振频率 完成串联谐振频率和串联谐振电阻测试之后就进入了静态电容的测试阶段。向信 号源频率控制寄存器中写入值，使其产生3 0 m h z 信号( 或6 0 m h z ，具体情况根据3 1 节所介绍的方法确定) ，读取此时幅度检测器a d 6 0 8 输出电压值，根据( 2 1 0 ) 所给 等式即可求出石英晶体静态电容值。 经过以上两步测试后，将测试所得到的石英晶体串联谐振电阻和静态电容代入 ( 2 2 ) 可计算出石英晶体负载谐振电阻值。测试结束后，系统会将串联谐振频率、 串联谐振电阻、静态电容、负载谐振电阻等参数插入到数据库记录集中，并在测试界 面柱状图部分更改显示状态。 第三章石英晶体负载谐振电阻测试系统设计 3 5 本章小结 测试系统由硬件和软件两部分组成，本章分别对这两部分作了详细介绍。在硬件 电路设计方面，分别介绍了对测试系统各部分电路工作原理及系统的工作过程。在软 件设计部分，重点介绍了校准程序和相位补偿程序的设计，在校准过程中，分别经过 开路校准、5 0q 电阻校准和短路校准三个过程，并将校准结果写入文件保存，测试时 直接从文件中读取校准值，简化了测试步骤，节约了测试时间。同时，测试软件使用 了数据库技术，将测试结果存入数据库中并通过柱状图实时显示，方便了数据查询， 同时更直观地显示石英晶体的特性。 图3 9 串联谐振电阻测试流程图 第四章实验数据及结果分析 第四章实验数据及结果分析 本章根据前面所介绍的测试方法对石英晶体串联谐振频率、串联谐振电阻、静态 电容及负载谐振电阻等参数的测试结果进行分析，并对测试方法和测试系统进行评 价。 4 1 串联谐振频率测试及结果分析 测试时，将石英晶体插入测试座，分别向信号源写入频率、幅度和相位控制字， 对应图3 1 所示系统框图，石、以频率相同，石频率l kf o 、五大1 0 7 m h z 。三路信 号幅度相同，都取信号源最大幅值的7 0 。保持石、五相位不变，从文件中读取待 测石英晶体标称频率点处相位补偿值写入厶( 这里要注意，测试之前，必须先对系 统进行校准，校准过程参考3 6 1 节介绍方法) 。以上初始化工作完成之后便可以对 石英晶体串联谐振频率进行测试。表4 1 是标称频率为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体串联谐 振频率在不同测试系统下的测试值。 z ；表示第f 次测量的数据，z 表示石英晶体串联谐振频率1 0 次测量值的算术平 均值，单位为h z 。 z = y ：一l o ( 4 1 ) i = 1 笺表示第f 次测量石英晶体串联谐振频率值与算术平均值的相对误差，单位为 1r p p m ( 1x 1 0 6 ) 。 一a l ：丛x 1 0 6 ( 4 2 ) l rf r 表4 1标称频率为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体串联谐振频率重复性实验数据 测试序号本系统测试值( h z ) 偏差( p p m ) 测试序号本系统测试值( h z ) 偏差( p p m ) z ； a f z ； 馘 = = = = 一 l tl f l5 6 4 4 51 7 4一o 1 l65 6 4 4 5 1 8 0o 0 2 25 6 4 4 51 7 9o 0 075 6 4 4 51 8 0 o 0 2 35 6 4 4 51 7 9o o o85 6 4 4 51 7 90 0 0 45 6 4 4 5 1 8 00 0 2956 1 4 4 5 1 7 90 0 0 第四章实验数据及结果分析 55 6 4 4 5 1 8 0o 0 21 05 6 4 j 4 5 1 8 00 0 2 、 f r 5 6 4 4 5 1 7 9 表4 2 为在1 m h z - 2 0 0 m h z 范围内取l o 个石英晶体，分别测试其串联谐振频率， 并对所得到测试结果与2 5 0 b 石英晶体测试仪测试结果进行比对的数据表。 表4 2 石英晶体串联谐振频率的比对试验数据 石英晶体标称频率( m h z )2 5 0 b 测试值( h z )本系统测试值( h z ) 偏差( p p m ) 4 1 9 4 3 0 44 1 9 3 2 0 1 4 1 9 3 2 0 81 7 1 6 9 3 4 4l6 9 2 7 7 0 616 9 2 7 7 0 2o 2 3 3 8 6 8 83 3 9 5 1 9 5 13 3 9 5 2 0 0 l1 5 4 9 8 64 9 8 5 7 9 8 44 9 8 5 7 9 7 90 1 5 6 4 4 85 6 4 4 51 4 25 6 4 4 5 1 7 7o 6 1 0 6 7 5l0 6 7 4 7 9 6 51 0 6 7 4 8 1 0 8 1 3 1 1 2 7 81 l2 7 7 6 5 0 81 12 7 7 6 5 5 60 4 1 2 7 1 2 51 2 7 1 2 2 18 01 2 7 1 2 2 4 1l1 8 1 4 4 6 6 71 4 4 6 6 5 9 4 21 4 4 6 6 6 4 4 73 。5 l8 5 3 5 6 218 5 3 5 4 3 3 31 8 5 3 5 4 5 1 21 0 从表4 2 中可以看出，系统测试f r 所得数据与2 5 0 b 所测数据相比偏差在4 - 2 p p m 以内，能够满足课题要求。 造成f r 的误差原因主要有以下几个方面。 1 由于本系统采用相位补偿的方式来提高测试的精度，而a d 9 9 5 9 输出信号的 初始相位存在误差。 2 混频鉴幅器a d 6 0 8 的限幅器部分存在相移，且与输入信号幅值有关，范围 可达3 。a d 6 0 8 带来的相移对f r 的测试精度影响较大。 3 电路板上电磁干扰造成的测试误差。由于激励信号频率很高，在测试电路板 上存在电磁辐射，会影响测试精度。 4 2 串联谐振电阻测试及结果分析 在串联谐振频率测试的基础上，测试上述l o 只石英晶体的串联谐振电阻，并将 结果与2 5 0 b 测试数据比对。表4 3 为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体串联谐振电阻的重复性测 试实验。表4 4 中每个数据是1 0 次测试的平均结果。 表4 3 标称频率为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体串联谐振电阻重复性实验数据 测试序号本系统测试值( q )偏差( )测试序号本系统测试值( q )偏差( ) l4 8 9 5+ 3 664 7 2 42 第四章实验数据及结果分析 24 7 5 8+ 0 774 7 2 3 1 0 3 4 6 2 3 1 o 8 4 7 2 31 0 44 6 2 31 o94 7 2 31 0 54 7 2 4一o 21 04 7 2 4 m 2 表4 。4 石英晶体串联谐振电阻比对测试实验 石英晶体标称频率( 姗z )2 5 0 b 测试值( q )本系统测试值( q ) 偏差( ) 4 1 9 4 3 0 41 8 8 l2 0 3 0 7 9 1 6 9 3 4 47 3 3 8 8 09 1 3 3 8 6 8 86 3 4 66 0 4 0_ 4 8 4 9 8 62 5 4 l2 7 7 0 9 0 5 6 4 4 84 8 8 24 8 5 8- 0 5 1 0 6 7 54 2 1 83 9 9 05 4 1 1 2 7 85 4 0 25 0 4 0 6 7 1 2 7 1 2 56 0 2 75 3 7 11 0 9 1 4 4 6 6 74 1 9 54 4 4 35 9 18 5 3 5 6 21 8 6 9 11 7 3 7 37 1 从表4 4 中可以看出，串联谐振电阻的测试值与对应的2 5 0 b 测试值相比，相对 误差在1 0 ( 或2 q ) 以内，能够满足课题测试要求。 4 3 静态电容测试及结果分析 静态电容测试精度是影响负载谐振电阻测试结果的最主要因素之一，课题采用了 补偿电路、相位校准等多种方法来保证此参数测试结果。由2 4 节石英晶体静态电容 测试方法的介绍可知，石英晶体测试值与实际值之间为线性关系。表4 5 给出了石英 晶体静态电容标准值与实际测试值。 表4 5 静态电容校准实验数据 标称值( p f )测试值( p f )标称值( p f )测试值( p f )标称值( p f )测试值( p f ) 2 93 5 83 0 93 7 84 8 8 5 3 6 2 8 43 5 33 2 43 9 25 2 35 7 7 2 4 53 2 14 8 55 3 35 7 46 1 9 将表中数据代入式( 2 1 1 ) 并用最小二乘法进行拟合可得c c 约为1 0 5 p f ，比例 系数约为o 9 l 。图4 1 给出了石英晶体静态电容测试值与标准值关系曲线。由图可 知，当角频率变化时，比例系数会随之发生微小变化。曲线与y 轴截距为1 0 5 ， 此值即为图2 6 所示兀网路实际参数模型中插座电容c 。的值。 第叫章实验数据及结果分析 ! i j 一 | 、 ，i 、 。 冬 i 。l l l 耘 、 荔 oi23l 6 石英晶体静态电容标称值( p f ) 图4 1石英晶体静态电容测试值与标准值关系曲线 表4 6 给出了标称频率为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体在2 5 0 b 测试系统和本课题设计测 试系统的多次测试数据。从表中可以看出，实验测试系统测试重复性精度与2 5 0 b 仍 然有一定差距，但0 0 1 p f 的重复性精度已经能够满足负载谐振电阻测试结果的精 度。 表4 6 标称频率为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体静态电容重复性实验数据 测试次数2 5 0 b 测试值( p f )本系统测试值( p f )偏差( p f ) l3 4 33 4 0- 0 o l 23 4 33 4 2o 0 l 3 3 4 33 4 0加o l 43 4 33 4 20 o l 53 4 33 4 2 o o l 平均值 3 4 33 4 1 表4 7 给出了多个石英晶体在2 5 0 b 测试系统与课题设计测试系统多次测试取平 均值的试验数据比较。长期试验数据表明，经过多种补偿校准优化后，实验测试系统 的石英晶体静态电容测试偏差小于0 1 p f ，满足了课题设计要求，有效的保证了负 载谐振电阻的测试结果精度。 表4 7 石英晶体静态电容比对测试实验数据 石英晶体标称频率( 腼z ) 2 5 0 b 测试值( p f ) 本系统测试值( p f )偏差( p f ) 4 1 9 4 3 0 4 3 0 9 3 0 7加0 2 2 9 s s 2 i o 一d)靼筇嚣脚审始盎肇略林旦= 第p u 章实验数据及结果分析 1 6 9 3 4 44 3 64 4 3o 0 7 3 3 8 6 8 84 8 74 9 40 0 7 4 9 8 64 3 94 4 60 0 7 5 6 4 4 83 4 33 4 0- 0 0 3 1 0 6 7 54 。7 64 8 60 。l o 1 1 2 7 85 7 5 5 5 60 1 9 1 2 7 1 2 53 8 23 8 40 0 2 1 4 4 6 6 74 8 94 9 40 0 5 l8 5 3 5 6 2 2 9 32 8 8一o 0 5 4 4 负载谐振电阻测试及结果分析 根据3 6 节介绍测试步骤对石英晶体进行重复性测试实验及多个石英晶体测试结 果与2 5 0 b 测试结果的比对实验。在分别得到石英晶体串联谐振电阻和静态电容后， 根据2 1 节式( 2 1 ) 计算可得石英晶体负载谐振电阻值。 石英晶体负载谐振电阻测试结果标准差为： o f r2 ( 4 3 ) 将2 5 0 b 测试值和本系统测试值分别代入式( 4 3 ) ，可得测试系统标准差为0 3 ， 重复性实验能够满足课题要求。 表4 8 标称频率为5 6 4 4 8 m h z 石英晶体负载谐振电阻重复性实验数据 测试序号 2 5 0 b 测试值，i ( q ) 偏差( ) 本系统测试值z i ( q ) 偏差( ) l9 9 8o 39 9 33 5 29 9 5_ 0 19 6 20 4 39 9 6 - o 19 3 4- 2 5 49 9 5- 0 19 4 21 7 59 9 5- o 19 5 9 o 1 平均值， 9 9 6 9 4 4 表4 9 为石英晶体负载谐振电阻重复性测试实验结果，长期实验表明测试系统负 载谐振电阻测试误差小于1 5 ( 或4 - 2 q ) ，满足课题研究要求，取得了较好效果。 表4 9 石英晶体负载谐振电阻比对测试实验 石英晶体标称频率( 1 吁i z )2 5 0 b 测试值( q )本系统测试值( q )偏差( ) 4 1 9 4 3 0 43 6 13 8 9 7 8 1 6 9 3 4 41 7 5 2 1 2 1 2 1 第p l j 章实验数据及结果分析 3 3 8 6 8 81 6 3 81 6 0 91 8 4 9 8 66 0 96 6 7 9 5 5 6 4 4 8 9 9 89 9 3一o 1 1 0 6 7 51 0 7 41 0 3 1- 4 o 1 1 2 7 81 5 9 71 4 5 78 8 1 2 7 1 2 5 1 3 1 61 1 7 61 0 6 1 4 4 6 6 71 0 8 81 1 6 26 8 l8 5 3 5 6 23 4 8 ，73 0 1 7 1 3 5 将测试结果代入式( 4 2 ) 可得石英晶体负载谐振电阻测试误差。实验表明石英 晶体负载谐振电阻测试误差小于1 5 ( 或2 q ) ，能够满足课题研究要求。 计算法测试石英晶体负载谐振电阻的测试结果受串联谐振电阻和静态电容测试 精度的影响。实验系统采用的相位补偿的方法减小了石英晶体静态电容的测试误差， 从而保证了负载谐振电阻的测试精度。 4 5 本章小结 本章给出了石英晶体串联谐振频率、串联谐振电阻、静态电容、负载谐振电阻等 四个参数的重复性测试结果分析和与2 5 0 b 测试结果的比对分析。实验结果表明，通 过对分布参数的分析及其对测试结果的影响研究，以及测试系统采用的校准系统都有 效减小了测试结果的误差