[发明专利]一种测量石英晶体静电容的新方法

说明书

技术领域：

本发明属于模拟设计领域，是涉及一种测量石英晶体静电容的新方法。

背景技术：

石英晶体谐振器(以下简称为石英晶体)作为一种性能优良的频率基准和时钟源在电子领域有着广泛应用。石英晶体的中间测试在石英晶体的生产中是处于微调和封装之间的工序，要求对石英晶体的基本电参数进行测量，以保证产品最终质量。在石英晶体的中间测试中，需要测量串联谐振频率、串联谐振电阻、负载谐振频率、负载谐振电阻、静电容、动电容、频率牵引灵敏度和DLD等参数。其中，静电容C0主要由石英晶体两端所镀银膜决定，表征了石英晶体的静态特性，与石英晶体的串联谐振频率和负载谐振频率等应用指标密切相关。根据静电容和其它参数的关系，还可以计算出负载谐振电阻、动电容、频率牵引灵敏度和DLD等参数的值，这在实际测量中是经常采用的方法。静电容的测量是石英晶体中间测试的重要内容。目前，IEC(国际电工委员会)所推荐的石英晶体测量的标准方法是π网络零相位法。在该方法中，未规定测量静电容的标准方法。若采用谐振法、交流电桥法等常用方法来测量静电容，会增加整个测量系统的复杂性，并且对谐振频率的测量产生不利影响。本课题提出了一种基于π网络零相位法的测量石英晶体静电容的新方法，并据此设计制作了实验测量系统。

发明内容：

本发明就是针对上述问题，提供一种测量石英晶体静电容的新方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括石英晶体的静电容，石英晶体的动电容，石英晶体的动电感，石英晶体串联谐振电阻。当激励信号的频率等于石英晶体的谐振频率时，其等效电参数模型为纯电阻。由于C1、L1的值非常小，当激励信号的频率远离石英晶体的谐振频率时，R1、C1、L1的影响可以忽略不计，此时，石英晶体等效成一个值为C0的电容。

本发明的有益效果：

在π网络零相位法的基础上，采用了“DDS激励、π网络响应、幅相检测计算容抗”的方法测量石英晶体的静电容，并由此设计制作了实验测量系统来实现该方案。该方法把测量石英晶体的静电容和谐振频率统一起来，简化了测量电路。通过实际测量一批晶体和小电容，证明在1～10pF范围内测量误差小于0.1pF，能满足实际要求，可以在此基础上开发实际的石英晶体中间测试系统。

附图说明：

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式：

本发明包括石英晶体的静电容，石英晶体的动电容，石英晶体的动电感，石英晶体串联谐振电阻。当激励信号的频率等于石英晶体的谐振频率时，其等效电参数模型为纯电阻。由于C1、L1的值非常小，当激励信号的频率远离石英晶体的谐振频率时，R1、C1、L1的影响可以忽略不计，此时，石英晶体等效成一个值为C0的电容。

实施例1：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。Va是输入激励信号，Vb是π网络输出信号，它们都是矢量电压信号。当石英晶体处于谐振状态时，其表现为纯电阻特性，此时Va与Vb之间相位差为零，Va的频率即为石英晶体的串联谐振频率。所以，通过改变Va的频率并检测Va与Vb之间相位差可以找到石英晶体的谐振频率。对于π网络中石英晶体的静电容如何测量，IEC并未推荐标准方法。π网络由对称的双π型电阻回路组成，R1、R2和R3构成输入衰减器，R4、R5和R6构成输出衰减器。

利用DDS(直接数字频率合成)信号源作为激励源，其输出交流信号频率远离石英晶体谐振频率，该信号激励接有被测石英晶体的π网络。此时，石英晶体等效于一个值为C0的电容。π网络的输出电压与该电容存在一定的函数关系，由于输入电压和π网络的参数已知，测量输出电压并根据这一函数关系，可以计算出C0值。这种方法与测石英晶体谐振频率的方法很相似，都需要利用DDS输出信号作为激励信号并检测π网络输出的矢量电压。两者区别在于测量谐振频率要求检测输入电压和输出电压之间相位差，而测量静电容则要求测量输入电压和输出电压的幅值。因此，对这两个矢量电压信号采用幅相检测的办法可以使测量石英晶体的谐振频率和静电容统一起来。

其中，DDS输出两路幅值、频率和相位均相同的信号。一路激励π网络，另一路输入幅相检测模块。本课题要求石英晶体谐振频率的测量范围为0～200MHz。在这一范围内选取30MHz和68MHz两个频率点作为激励信号的设定频率。具体方法是，当石英晶体的谐振频率在30MHz附近时，设定DDS输出信号频率为68MHz，反之，则设为30MHz。