（测试计量技术及仪器专业论文）石英晶体激励电平相关性的测量研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、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 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： 浆j 甲 卅年月谚日 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。 指导教师签名：夕悟雩u 学位论文作者签名：荦哥1 年月日 妒1 年fv 月以日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。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、已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。 签名：著、。a t 川年r 。月砂日 摘要 摘要 激励电平是指石英晶体元件消耗的功率，石英晶体元件的电参数对激励电 平的依赖程度称为激励电平相关性，它在一定程度上可以作为衡量石英晶体元 件好坏的指标，同时也可以作为评价生产工艺优劣的参考。由于测量水平的相 对落后，国内目前还没有将其作为测试晶体的一个重要指标。 本文根据石英晶体的电参数模型，在7 c 网络零相位测试方法中，推导出激励 功率的测量公式，研究了激励功率的改变对串联谐振频率、串联谐振电阻等参 数测量精度的影响，提出了软件补偿和误差校准方法，设计使用7 c 网络、补偿网 络、相位和幅度检测系统以及相应的软件，并应用于高频石英晶体激励电平相 关性的测量系统中。 高频条件下，7 c 网络零相位法的一个主要误差来源是7 c 网络的分布参数，它直 接影响激励功率的测量，同时它引起的附加相移还影响着串联谐振频率、串联 谐振电阻的测试精度。本文在补偿电路的基础上，提出新的误差校准方法，提 高了串联谐振电阻测试精度，采用v c + + 6 0 编写了测试系统的软件，满足设计 要求。 通过激励电平相关性的测量应用于高频石英晶体测量系统的实验，得到晶体 元件的频率都在一定程度上随激励功率变化而变化( 微量变化) ，一般来说，a t 切晶体的频率会随激励功率增大而略有升高。系统整机的测试频率范围达到 1 m h z - - - , 2 0 0 m h z ，测量指标中，串联谐振电阻大于2 5q 时，随着阻值的增大激 励功率减小。参数d l d 测量相对误差为1 0 。 本文的研究成果对于提高我国石英晶体行业的测试技术水平具有重要的实 用价值，有助于国内填补石英晶体激励电平相关性的测量这一重要指标。 关键词：石英晶体；测量；7 c 网络；d l d ( 激励电平相关性) a b s t r a c t d r i v el e v e li st h ep o w e rt h a tt h eq u a r t zc r y s t a lw a s t e s i ti s c a l l e dd r i v el e v e l d e p e n d e n c eo rd l d t h a th o we l e c t r o - p a r a m e t e r so ft h eq u a r t zc r y s t a ld e p e n do i lt h e d r i v el e v e l d l di sn o to n l ya ni n d e xo f j u d g i n gt h ec r y s t a lq u a l i t yi na c e r t a i ne x t e n t ， b u ta l s oi ti sar e f e r e n c et oe v a l u a t et h et e c h n i c s i th a s n tb e e n ag r e a td o m e s t i ci n d e x ， b e c a u s et h el e v e lo fm e a s u r e m e n ti sr e l a t i v e l yb a c k w a r d t h ef o n n u l ao ft h ed r i v ep o w e rm e a s u r e m e n ti s d e d u c e db yt h ee q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo ft l l eq u a r t zc r y s t a lu n i t s t h e t e s tp r e c i s i o no fs e r i e sr e s o n a n t 丘e q u e n c ya n ds c r i e sr e s o n a n tr e s i s t a n c e i si n f l u e n c e db yc h a n g i n gd r i v el e v e l t h e s o f f w a r ec o m p e n s a t i o na n dm e t h o do fr e v i s i n ge r r o ra r ea l s op u tf o r w a r da d v a n c e d a n 兀n e t w o r k c o m p e n s a t e dn e t w o r k ，d e t e c t i n gp h a s eu n i t s ，d e t e c t i n ga m p l i t u d e r a t l o u i l i t sa n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e do nt h eb a s i so fz e r op h a s et e c h n i q u e i na7 c - n e t w o r k t h o s et e c h n i q u e sa r ea p p l i e di nt h ed r i v el e v e ld e p e n d e n c em e a s u r e m e n ts y s t e m 兀n e t 、v o r kd i s t r i b u t i n gp a r a m e t e r sa r et h em a i ne r r o rs o u r c e t h em e a s u r e m e n t o ft h ed r i v el e v e li si n f l u e n c e dd i r e c t l yb yt h o s ep a r a m e t e r s t h eo f f s e to fp h a s e t h a t t h es t r a yr e a c t a n c eo f7 c n e t w o r ki n d u c e ss t i l l a f f e c t st h et e s tp r e c i s i o no fs e n e s r e s o n a n tf r e q u e n c ya n ds e r i e sr e s o n a n tr e s i s t a n c e an e wm e t h o do f e r r o rc a l i b r a t l o n i sp u tf o r w a r d ，w h i c hi m p r o v e st h et e s tp r e c i s i o no ft h es e r i e sr e s o n a n tr e s l s 伽1 c e t h et e s ts o f t w a r ei sw r i a e nb yv i s u a lc + + 6 0 ，w h i c hc a nm e e td e m a n d i nt h i se x p e r i m e n t ，i ti st h er e s u l tt h a tt h es e r i e sr e s o n a n tf r e q u e n c yc h a n g e s 、v l t n d r i v ep o w e r c o m m o n l y , a t - c u tc r y s t a lf r e q u e n c yi si m p r o v e dw i t hah i g h e rd r i v e p o w e r t h es y s t e mm e a s u d n gf r e q u e n c yr a n g ei sf r o m 1m n zt o2 0 0 m h z i nt h et e s t i n d e x i ft h er e s i s t a n c ei sm o r et h a n2 5q ，t h ep o w e ri m p r o v e sw i t h t h es m a l l e r r e s i s t a n c e t h ep a r a m e t e rd l dm e a s u r e m e n t r e l a t i v ee r r o ri su pt o 1 0 t h eo u t c o m eo ft h er e s e a r c hc a nb eu s e di nt h em a i nm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t a n dt h et e s te q u i p m e n to fq u a r t zc r y s t a l ，a n di tw i l lm a k e t h ed r i v el e v e ld e p e n d e n c e b eav e r yi m p o r t a n td o m e s t i ci n d e xi nt h eq u a r t zc r y s t a lm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：q u a r t zc r y s t a l ；t e s t ；冗n e t w o r k ；d r i v el e v e ld e p e n d e n c e ( d l d ) 目录 目录 第1 章引言1 1 1 石英晶体测试技术及激励电平相关性的测量国内外现状1 1 1 1 石英晶体测试技术2 1 1 2 石英晶体激励电平相关性2 1 1 3 石英晶体激励电平相关性研究的国内外现状与趋势3 1 2 课题任务及评价4 1 3 本章小结5 第2 章石英晶体激励电平相关性测量原理与方案6 2 1 石英晶体电参数模型6 2 1 1 石英晶体的理论电参数模型6 2 1 2 石英晶体的阻抗与频率特性7 2 2 冗网络零相位法测量原理8 2 2 1 网络电路分析和系统框图9 2 2 2 儿网络零相位法的测试原理1 0 2 3 激励电平相关性的测量原理1 1 2 3 1 激励功率的测量原理1 1 2 3 2 串联谐振参数的测试原理1 3 2 4 本章小结1 4 第3 章石英晶体激励电平相关性的测量系统设计1 5 3 1 系统整体设计1 5 3 2 控制系统设计1 7 3 2 1p c i 总线接口1 7 3 3 测试部分设计1 9 3 3 1 混频电路设计1 9 i l i 3 4 3 5 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 第5 章 目录 一一 5 1 结论4 3 5 2 进一步工作的方向4 3 致谢4 4 参考文献4 5 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果4 7 目录 图表清单 图2 1 机械振动系统与电路对比6 图2 2 石英晶体等效模型6 图2 3 石英晶体的阻抗一频率特性8 图2 4i e c 推荐的标准7 c 网络电路9 图2 5i e c 推荐的7 c 网络法测试系统框图1 0 图2 6 采用对称7 c 网络补偿相位误差1 3 图3 1 系统硬件结构框图1 5 图3 2a d 9 9 5 9 芯片结构图1 7 图3 3p c i 板卡结构示意图1 8 图3 4a d 6 0 8 原理框图1 9 图3 5 混频硬件电路设计图2 0 图3 6a d 6 0 8 的r s s i 输出与输入的关系曲线2 1 图3 7 相位差响应曲线2 2 图3 8 高频石英晶体测试系统软件图2 3 图3 9 串联谐振频率参数设定图2 4 图3 i 0a d 8 3 0 2 经过a d 转换扫描相位曲线2 4 图3 1 1 相位补偿软件流程图2 5 图3 1 2 激励功率的测量软件流程图a 2 6 图3 1 3 激励功率的测量软件流程图b 2 6 图3 1 4 不同激励功率下的串联谐振频率测量流程图2 7 图3 1 5 不同激励功率下的标准电阻校准流程图2 8 图3 1 6 相位差校准写入文档流程图2 9 图3 1 7 校准电阻a d 值写入文档流程图2 9 图3 1 8 不同激励功率下的串联谐振电阻测量流程图3 0 图3 1 9d l d 的软件显示图3 1 图3 2 0 串联谐振电阻不同延时时间测试结果图3 3 v i 3 4 3 5 3 6 3 7 3 7 3 8 测量值3 8 3 9 3 9 4 0 4 1 4 1 ，= 串联谐振频率 足= 串联谐振电阻 c o = 静电容 c l = 动电容 厶= 动电感 = 角频率 q = 品质因数 五= 兀网路等效阻抗 圪= 信号源输出电压 圪= 7 c 网路输出电压 r s s i = 信号发生强度 五= 信号源输出频率 = 信号源输出相位 刀形= 频率控制字 p o w = 相位控制字 p = 激励功率 i = 激励电流 d l d = 激励电平相关 第1 章引言 第1 章引言 石英晶体谐振器( 以下简称石英晶体) 是用压电单晶石英( 即水晶) 制成 的压电器件，是一种广泛应用于通信、计算机、电子仪表、家用电器等领域的 电子元件，由于其具有频率稳定性好、品质因数高、成本低等优点，被广泛用 作时间频率基准和为时序逻辑电路提供同步脉冲。如长途和市话通讯，地面、 航海和航空移动目标通讯，卫星通讯，雷达导航测控，卫星地面站，广播电视 系统，全球卫星导航定位系统，均需采用各类石英晶体振荡器作为频率控制标 准信号源。随着计算机、微电子等行业的飞速发展，尤其是数字电子技术的应 用越来越成为主流，石英晶体的市场需求量增长的同时对性能也提出了更高的 要求，表现在要求石英晶体频率更高、精度更高、稳定度更高，激励功率更低 等方面。 目前，国外生产石英晶体器件较大的厂商有：日本金石和美国摩托罗拉、 韩国的s u n n y - - e m i 等公司。国内生产石英晶体等元器件的单位有原电子工业部 第十研究所、北京7 0 7 厂和一些合资企业等。我国对人造石英晶体及其元器件 的研究开发起步较早，目前拥有的生产能力也较大。就石英晶体而言，与国外 先进水平比较，主要是在片式化、小型化、高频化和频率温度特性等方面还存 在差距，尤其是石英晶体元器件在中、高档产品和s m d 表面贴装产品的开发生 产方面。为了减小差距，应该加大产品结构调整力度，晶体制造业要紧跟数字 化、网络化技术的发展趋势，提高晶体振荡器、滤波器在总产量中的比例n 】。 随着发达工业国家自身进行产业结构调整升级，石英晶体的生产逐渐由海 外转移到国内进行，国际市场对石英晶体的需求持续快速增长。受这两个因素 的影响，我国石英晶体生产行业呈高速发展的态势。从石英晶体生产的数量上 来看，我国已经是石英晶体的生产大国，其产品多用于出口，但主要以生产中 低档次的产品为主，出口价格较低，这在一定程度上限制了我国石英晶体制造 行业的发展。因此，研发具有自主知识产权的高精度、宽量程、操作便捷的石 英晶体测试设备具有重要的意义，对于促进我国石英晶体制造行业的迅速发展 具有积极的作用。 第1 章引言 1 1 石英晶体测试技术及激励电平相关性的测量国内外现状 1 1 1 石英晶体测试技术 石英晶体电参数( 指谐振频率及其它电参数，下同) 的测试方法主要有阻抗 计法、7 【网络最大传输法、7 c 网络零相位法，其中7 c 网络零相位法是国际电工委员 会( i e c ) 推荐的石英晶体的标准测量方法，该方法也被我国选用为石英晶体电参 数测量的电子行业标准【2 】【3 1 。 阻抗计法，由石英晶体构成振荡器的正反馈环节，当石英晶体处于谐振状 态时，满足振荡器起振条件，此时谐振器的频率即为石英晶体的串联谐振频率。 7 【网络最大传输法是将石英晶体置于兀网络中，并用可控频率源来激励1 c 网 络，由于石英晶体谐振时其等效阻抗最小，此时7 c 网络输出端的电压最大，由此 来确定石英晶体的谐振频率进而测试其它参数。与阻抗计法相比较，7 c 网络最大 传输法可测试的谐振频率范围大( 可达2 0 0 m h z 以上) 、精度高，不足之处是测 试速度比较慢。 兀网络零相位法是将石英晶体置于7 c 网络中，对石英晶体施加激励信号，当 石英晶体处于谐振状态时，此时石英晶体等效为纯电阻，在理想状态下，7 c 网络 两端信号的相位差为零，相位差为零时的激励信号的频率即为石英晶体的串联 谐振频率。由于石英晶体谐振点附近相位一频率特性的变化要比幅度一频率特 性的变化尖锐，因而采用零相位法测试相频特性要比用最大传输法测试幅频特 性更易于检测，精度更高。 国内，由于技术相对落后，生产检测的批量大，多使用阻抗计法，阻抗计 型石英晶体测试仪其主要特点是制造成本较低，检测速度快，广泛应用于石英 晶体生产过程中检测以及出厂前的检验。缺点是测试的精度低，频宽窄。 国外，发达国家主要采用万网络零相位法进行石英晶体电参数的测量。其典 型仪器是美国s a u n d e r s & a s s o c i a t e s ( s & a ) 公司生产的2 5 0 b 石英晶体测试仪，其 测试频率范围为1 5 k h z 2 2 0 m h z ，串联谐振频率测试精度达到2 p p m ，激励功 率l o o p w - - 1 0 0 0 u w ( 1 m h z 5 0 m h z ) 或1 n w 5 0 0 秘w ( 5 0 m h z ) ，能测量多种石 英晶体电参数。 1 1 2 石英晶体激励电平相关性 2 第1 章引言 高激励电平( 如a t 切晶体元件在l m w 或l m a 以上) 时，可以在所有的 晶体元件上观察到这些变化。而且，它们还会造成振幅和频率的不可逆变化 4 1 。 激励电平再增加就可能破坏谐振子。 石英晶体元件的频率在一定程度上随激励功率变化而变化( 微量变化) ，一 般来说，a t 切晶体的频率会随激励功率增大而略有升高。过高的激励功率会导 致谐振器温度特性的畸变，并激活寄生模。过高的激励使晶体发热和应力过大， 从而产生不可逆的频率漂移。 非常低的激励功率( 数微瓦或更低) 下，晶体元件的谐振电阻可能比在额 定激励功率下电阻值高很多，以致使振荡器振荡的越来越困难，出现睡眠效应。 这种效应经过一段非工作状态的贮存后会加剧，这就是激励电平相关性。因此， 晶体在电路中实际使用的激励电平不应过大和过小。 下面是i e c 推荐的激励功率的常用值吲： 2 m w 、l m w 、0 1 m w ( 1 0 0 i t w ) 、0 0 5 m w ( 5 0 t w ) 、0 0 2 m w ( 2 0 9 w ) 、 0 0 1 m w ( 1 0 9 w ) 、0 0 0 1 m w ( 1 9 w ) 优选值5 m h z 以下，5 0 0 9 w 以上一般1 0 0 9 w 。 近年来，便携式、低功耗、数字化已经成为衡量电子产品优势的主要因素， 作为电子产品心脏的晶体元器件，为满足这样的趋势，必须对其加工及性能提 出更高的要求。因为不完善的生产技术如：谐振子表面的微粒、谐振子的机械 损伤、电极中含有气体和油、装架时电极接触不良，支架和石英晶片之间的机 械应力都会造成石英晶体的不可逆效应。从而会对那些只是偶尔工作的器件性 能造成较大的损害。因此激励电平相关性在一定程度上可以作为衡量晶体好坏 的指标，同时也作为评价生产工艺优劣的参考 5 1 【6 1 7 1 。 1 1 3 石英晶体激励电平相关性研究的国内外现状与趋势 国内，几年前，一般晶体振荡器都工作在较高的工作电压下，因此加给晶 体的激励就比较高。这样高的激励足以使晶体正常工作。所以，早年晶体没有 激励电平相关性的问题。近年来，由于电子产品便携式，低功耗，数字化的发 展趋势，作为电子产品心脏的晶体元件，为了满足这一特性，对其性能也提出 了较高的要求。在这种情况下，激励电平相关性就显得尤为重要。它在一定程 度上可以作为衡量晶体好坏的指标，同时也作为评价生产工艺优劣的参考。国 内目前还没有将其作为测试晶体的一个指标。 第1 章引言 国外，由于在片式化、小型化、低功耗、高频化和频率温度特性等方面发 展迅猛，激励电平相关性的研究早就提到了一个比较重要的位置，并作为一个 测试晶体的重要指标。其测量方法主要有两种：方法一以s j z9 1 5 4 1 的7 c 网络 法和方法二振荡器法。根据使用的目的不同，选择不同的方法。方法一可以在 整个频率范围内使用，多用于滤波晶体和对比测量。方法二特别适用于固定测 量条件下的大批量基频石英晶体元件，多用于振荡器晶体和合格不合格判定测 量 6 1 s l 9 1 【1 们。 1 2 课题任务及评价 本课题来源于北京市教育委员会科技发展基金项目( 2 0 0 5 年) “高频石英晶 体测试技术研究”。项目编号k m 2 0 0 5 1 1 2 3 2 0 0 2 。研究基于兀网络零相位测试方法 的高频石英晶体激励电平相关性的测量以及测试系统的设计制作，项目的整体 要求包括高频、高速、高精度的扫频信号源设计，7 【网络测试头设计，相位和幅 度检测电路的设计，激励电平对串联谐振频率和串联谐振电阻的影响，计算机 的接口电路的设计以及相应的软件设计。本课题重点是高频石英晶体测试系统 中激励电平相关性的测量研究，主要包括： l 、基于7 c 网络零相位测试方法，推导出激励功率的测量方法。 2 、分析兀网络改变激励功率对串联谐振频率测试精度影响的数量关系，进 行硬软件补偿、校正方法的研究与实验分析。 3 、分析7 c 网络改变激励功率对串联谐振电阻测试精度影响的数量关系，进 行硬软件补偿、校正方法的研究与实验分析。 4 、完成高频石英晶体测试实验系统的整体设计和实验调试，要求串联谐振 频率的测试范围为1 m h z 2 0 0 m h z ，测量精度在+ 2 p p m 以内。 本测试系统的技术研究和最终研制工作，石英晶体在不同激励功率下串联 谐振频率的测试范围从1 2 0 m h z 提高到2 0 0 m h z ，同时不需要逐点校准，串联谐 振频率的测试精度达至l j + 2 p p m ，参数d l d 相对误差达到1 o 。 本课题的研究将推进我国在石英晶体测试方法和测试技术的研究工作的深 入开展。将兀网络零相位测试方法应用于高频的石英晶体测试系统，不仅满足石 英晶体频率微调的新要求，而且为石英晶体负载参数测试奠定了基础。 4 第l 章引言 1 3 本章小结 本章主要介绍了目前石英晶体测试技术的国内外发展状况和国内外激励 电平相关性测量的研究。比较了各个测试方法的优缺点，提出了基于7 c 网络零相 位法石英晶体激励电平相关性的测量这一全新概念和研究主题，明确课题任务 和分工。本课题的研究对于解决高频石英晶体电参数测试问题具有重要的意义， 并且为高频石英晶体负载参数的测试奠定了基础。有助于国内填补石英晶体激 励电平相关性的测量这一重要指标。 第2 章石英晶体激励电平相关性测量原理与方案 7 c 网络零相位法。其中7 c 网络零相位法是i e c 推荐的石英晶体测试方法，该方法 也被我国选用为石英晶体电参数测量的电子行业标准【9 】。 兀网络零相位法是将石英晶体置于7 c 网络中，对石英晶体施加激励信号，当 该激励信号的频率同石英晶体的固有频率一致时，石英晶体处于谐振状态，理 想状态下，兀网络为一个纯电阻网络，7 c 网络两端的相位差为零，这样就可以将 石英晶体电参数的测试简化为对7 c 网络两端的信号的相位差的测试。本论文所论 述的7 c 网络零相位法石英晶体激励电平相关性的测量实验系统正是基于这一特 性的基础上进行设计的。 2 2 1 兀网络电路分析和系统框图 i e c 推荐的标准尢网络电路如图2 4 所示。 m 0 图2 4i e c 推荐的标准7 c 网络电路 7 c 网络由对称的7 c 型电阻回路组成，r l 、r 2 和r 3 构成输入衰减器，心、r 5 和心构成输出衰减器，它们的作用是使7 c 网络的阻抗与测试仪表的阻抗相匹配， 并衰减来自测试仪器的反射信号，m 。为待测石英晶体。 7 c 网络中各个电阻的阻值分别为r l = r 5 = 1 5 9 f 1 ，r 2 = r 4 = 1 4 2 1 1 ，r 3 = 心= 6 6 2 f 1 。 其中r 1 ，r 2 ，r 4 和r 5 采用圆盘形电阻，r 3 和心采用棒形电阻，它们的允许偏 差为1 。 对图2 4 电路运用节点电压法得： 一去圪+ c 去+ 去+ 去，k 一乏1 。k z - o 一尝+c去+击+丽1z zr ，= 。 c、c4尺5 + r 6 7 9 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l l 【 i l 第2 章石英晶体激励电平相关性测量原理与方案 v a 与v b 之间的相位差是否为零可以判定石英晶体是否处于谐振状态。测试石英 晶体谐振频率的做法是使信号发生器输出信号频率按一定规律变化，并检测v a 与v b 之间的相位差，当相位差为零时信号发生器的输出频率即为石英晶体的谐 振频率，该频率使用频率计准确测试。这一方法既可用于测试串联谐振频率， 又可用于测试负载谐振频率。 串联谐振电阻测试时先将短路片插入7 c 网络中，调节信号源频率略低于被测 石英晶体的标称频率，分别记下此时a 道和b 道的电压v a s 和v b s ，并计算 k = v b s a s 。然后取下短路片插入待测的石英晶体，慢慢升高信号源频率，使矢 量电压表相位指示为零，记下此时信号源的频率和a 道、b 道的电压v a c 和v b c ， 该频率就是石英晶体的串联谐振频率f ，而串联谐振电阻r ，可根据公式2 6 计 算。 i e c 推荐的兀网络零相位法，是通过测试7 c 网络两端的相位差是否为零来确定 石英晶体是否处于串联谐振状态，本文所设计的测试系统是以此原理为基础来 测试改变激励功率对石英晶体的串联谐振频率点以及串联谐振电阻的影响，具 体的测量方法在第三章中论述。 2 3 激励电平相关性的测量原理 2 3 1 激励功率的测量原理 在自英晶体、撒励电半布目关性的测量买验糸统中，、徼励功翠的测量是整个测 试系统的核心。根据i e c 推荐的7 c 网络电路如图2 4 分析电路可知，在待测石英 晶体串联谐振电阻未知的情况下，激励功率的测量公式为： 尸= u 娟吲车 ( 2 7 ) 4 尸= ( k 一( 1 + 等) 圪) 。( 1 + 等) 。圪4 ( 2 8 ) 式中：4 = i 1 + 瓦 瓦。公式2 8 中k 可以通过计算机软件控制输出的幅值或 第2 章石英晶体激励电平相关性测量原理与方案 在石英晶体激励功率的测量电路中，先使用标准电阻代替串联谐振电阻测 量。为了验证实际石英晶体的激励功率，这里使用d a 3 6 a 型超高频毫伏表，在 1 0 - - 一2 0 0 m h z 频响误差为6 。根据公式2 7 测量石英晶体两端的电压值，并计 算得到实测激励功率值。 2 3 2 串联谐振参数的测试原理 在实际电路中存在杂散电抗分得一部分电压，使得石英晶体激励功率略大 于实测的激励功率。为了消除电路中杂散电抗的影响，我们这里设计了相位补 偿的方法消除这种系统带来的误差。具体方案如图2 6 所示。 v 图2 6 采用对称兀网络补偿相位误差 在电路中增加一路与7 c 网络相似的电路，只是将需要插入石英晶体的地方换 成纯电阻，这样只要检测两路信号的相位差是否为零，即可知道石英晶体是否 处在谐振状态。改变信号源输出的电压幅值，从而改变施加在石英晶体两端的 激励功率，观察石英晶体的串联谐振频率的变化。其串联谐振电阻的具体测量 方法第3 章中将详细描述。 在石英晶体的实际使用中，常常需要将一个小电容与石英晶体串联后形成 一个整体使用。这个整体所表现的谐振参数被称为石英晶体的负载谐振参数， 它与串联谐振参数之间在数值上存在比较明显的差异，并且与所串联的负载电 容的大小直接相关。 第3 章石英晶体激励电平相关性测量系统设计 第3 章石英晶体激励电平相关性测量系统设计 3 1 系统整体设计 在石英晶体激励电平相关性的测量系统中，主要研究激励功率的测量和激 励功率的改变对石英晶体电参数的影响。信号源是系统测试方法中的一个重要 组成部分，信号源的频率输出范围决定了整个测试系统的测试频率范围，信号 源输出信号的频率稳定度和频率切换速度也对整个测试系统的测试精度及速度 有重要影响。为保证整个石英晶体测试系统的精度，本课题信号源选用由数字 频率合成技术产生的信号源，输出频率范围0 - - 一2 0 0 m h z ，输出频率稳定度高于士1 1 0 ，频率切换速度在“s 级，分辨率小于1 h z 。测试系统硬件结构框图如图 3 1 所示。 图3 1 系统硬件结构框图 整个测试系统由主机、p c i 扩展板卡和被测7 c 网络组成。图3 1 虚线框起来 的部分为系统硬件p c i 扩展板卡组成。其中以d d s 技术为核心的信号源提供三 路信号输出，分别为通道0 、通道1 和通道2 ，信号通道0 提供给7 c 网络，信号 通道1 提供给混频作为本振信号，信号通道2 提供给补偿网络( 用来消除兀网络 第3 章石英晶体激励电平相关性测量系统设计 图3 3p c i 板卡结构示意图 p c 机中包括3 种空间：存储器空间、i o 空间、配置空间。存储器空间主要 包括内存、显存、扩展r o m 、设备缓冲区等，一般用于存放大量数据和进行数 据块交换。i o 空间主要包括设备的控制寄存器和状态寄存器，一般用于控制和 查询设备的工作状态以及少量数据的交换。配置空间主要用于向系统提供设备 自身的基本信息，并接受系统对设备全局状态的控制和查询。为了避免地址冲 突，p c i 总线要求各个设备所占用的地址能够重定位。重定位是由设备的配置空 间的基址寄存器实现的，通常情况下，各个设备的基址寄存器总是被b i o s 或者 操作系统分配为不同的基址，从而将各个设备分别映射到不同的地址范围。在 需要时，应用程序也可以自行修改基址。c h 3 6 5 的存储器空间占用3 2 k b ，偏移 地址是0 0 0 0 h 一7 f f f h ，可以全部提供给外部设备使用，实际地址是存储器基址 加上偏移地址。c h 3 6 5 的i o 空间占用2 5 6 k b ，去掉c h 3 6 5 自用寄存器，还可 以提供2 4 0 b 给外部设备使用，偏移地址是o o h e f h ，实际地址是i o 基址加 上偏移地址。 第3 章石英晶体激励电平相关性测量系统设计 邓去州晒 眠9 ， 其中圪。，圪。分别为短路，1 0 0 0 h m 时候b 点的输出电压值。 1 0 0 ：( 了r ；一。一1 ) z s ( 3 1 0 ) 、圪1 0 0 7 其中軎业可以通过上面求a 的方法得到( a 已知) ，这样计算得五值，从而得到 7 b 1 0 0 测量电阻值。 肚c 篆州晒 3 3 3 相位检测电路设计 鉴相采用a d 8 3 0 2 幅度相位检测器件，其中主要利用其相位检测的功能。幅 度相位检测器件由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放 大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从 低频到2 7 g h z 频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差，集成的对数检 波器可将误差源及温度漂移减小到最低限度，相位测量范围可达1 8 0 0 。 其相位测试方程式为： v p h s = 圪 ( y 赫) 一( y 赫) 】u 叫 从0 0n - 1 8 0 0 对应同样大小输出电压变化范围，只是斜率恰好相反，相位的 理想响应特性曲线如图3 7 所示。 岱 l8 矿 图3 7 相位差响应曲线【1 6 】 第3 章石英晶体激励电平相关性测量系统设计 图3 1 l 相位补偿流程图 3 4 3 激励功率的测量软件设计 在石英晶体激励电平相关性的测量系统中，激励功率的测量是研究石英晶 体激励电平相关性最重要的组成部分，根据第二章第三节中介绍，石英晶体两 端的激励功率与信号源输出电压、电路阻抗参数和串联谐振电阻有关。当石英 晶体处于串联谐振状态时，对外显纯电阻状态。这里先将石英晶体用标准电阻 代替插入到兀网络，这样电路中的各个参数都是已知或可调节的。激励功率的测 量流程图如图3 1 2 和3 1 3 所示。 2 5 第3 章石英晶体激励电平相关性测量系统设计 图3 1 4 不同激励下的串联谐振频率测量流程图 图中激励功率是通过上节所述方法测量的。 3 4 5 变化激励功率下的串联谐振电阻软件设计 石英晶体的串联谐振电阻的测量过程中，我们首先对标准电阻进行测量，使 用短路、5 0 或1 0 0 欧姆电阻进行校准。其原理第三章第三节中有所介绍。在不 同激励功率下对标准电阻的测量软件流程如图3 1 5 。 2 7 第4 章实验及其实验结果分析 第4 章实验及其实验结果分析 根据第三章所介绍的石英晶体的相位补偿方法、激励功率的测量方法、不 同激励下的串联谐振频率、串联谐振电阻的测试方法，进行了实验，本章列出 了实验数据及其处理过程。 4 1 激励功率测量精度实验及结果分析 4 1 1 测量条件 测量信号源输出电压、7 c 网路的输入和输出电压使用超高频毫伏表，其型号 为d a 3 6 a ，在1 0 2 0 0 m h z 频响误差为6 。在进行测量前对d a 3 6 a 型超高 频毫伏表进行半个小时以上的充分预热。测量时对不同范围的电压值分别换档 校准。由于实验条件的限制，测量时使用的无感电阻，均采用普通电阻代替。 实验调试中，使用了数字示波器。 4 1 2 实验数据及分析 使用标准电阻1 0q 、2 5 q 、5 0 q 、7 5q 、1 0 0q ，根据3 4 3 章节所介绍 的激励功率测量方法进行实验得到的激励功率值为p ，使用d a 3 6 a 型超高频毫 伏表测量并计算得到功率值为实测功率p o ，功率单位为p w 。 表4 1 在不同频率下测量的激励功率数据 标 1 0 m h z6 0 m h z1 0 0 m h z 准 pp o ， pp o 尸+ pp o 尸 电 阻 ( 斗w )( p w )( )( p w )( “w )( )( “w )( 肛w ) ( ) 1 04 64 11 2 2 03 43 01 3 3 3542 5 0 0 2 55 7 5 29 6 25 24 71 0 6 4761 6 6 7 5 05 0 4 41 3 6 44 84