石英晶体谐振器负载谐振参数测量方法的改进研究
摘要 石英晶体谐振器作为目前国内外应用最为多的时间频率基准,现如今,随着世界电子技术的超快发展,人们对石英晶体谐振器负载谐振参数测量的准确度和稳定性开始有越来越高的要求,因此,本文主要针对影响石英晶体载谐振频率参数测量方法的主要因素,其中包括了石英晶体的电气特性以及石英晶体分布参数对负载谐振频率测量的影响,并针对这两方面的影响因素,通过对石英晶体负载谐振参数的测量系统进行改进,使其能够更加有效地提高石英晶体谐振器负载谐振参数的测量准确度以及稳定性。
关键词 石英晶体谐振器;负载谐振参数;测量方法
石英晶体谐振器,作为当今全球社会的精密计测仪器、高速计算机、雷达导航测控以及通信等设备中不可缺少的关键部件,因此,关于石英晶体谐振器负载谐振参数的测量开始逐渐有着越来越高的要求,但过去传统的国内外普遍最长使用的石英晶体谐振器负载谐振参数的测量方法,主要是通过石英晶体阻抗计直接进行测量,这种测量方法存在着精度、准确度以及稳定性低的缺点,尤其是在石英晶体负载谐振的情况下,其参数的测量误差更大,因此,面对石英晶体谐振器负载谐振参数的测量精度以及稳定度方面的巨大挑战,就需要对更多模态耦合时的黏性阻尼、结构阻尼等诸多因素进行考虑,分析出可能会对石英晶体谐振器负载谐振参数的测量产生的影响因素,并提出更加有效的石英晶体负载谐振参数的改进测量系统。
1 影响石英晶体负载谐振参数测量精度的主要因素
众多因子影响石英晶体负载谐振参数测量准确度,本文主要是通过对石英晶体负载谐振参数测量方法的分析,研究出可能存在的对测量精度影响的干扰项,以此为基准,通过使用前沿方法和技术设计出晶体的负载谐振参数的测量系统,从而有效地提高晶体的负载谐振参数的测量精度。
1.1 石英晶体的电气特性
由于石英晶体具有压电效应,也就是石英晶体谐振器由于受到外加交变电场的作用,会在一定程度上产生机械性的振动,尤其是当交变电场的频率和石英晶体谐振器内部的固有频率相同或者极其相似的时候,振动就会变得更加剧烈。这个时候,可以将石英晶体等效为由电阻R、电感L以及电容C所组成的RLC串联电路结构[1]。
在串联谐振状态下,当石英晶体的谐振频率不高时,在谐振频率附近电阻和电感的电抗值比电容的容抗要低得多,这种情况下,电容会在一定程度上影响负载谐振参数的测量的精度,但只要线路的设计合理,分布参数对石英晶体的谐振频率和电阻测量的影响是可以接受的。
然而,当在负载谐振状态下,由于负载电容的接入,石英晶体就会出现偏离谐振的情况,这个时候的阻抗会极其的高,而负载电容的容抗也较高,所以,在这种情况下,负载电容和石英晶体的接点处会对地呈现出一种较高的阻抗,从而电容会严重影响负载谐振参数的测量的精度。
1.2 石英晶体分布参数对负载谐振频率测量的影响
当石英晶体工作于负载谐振状态时,相对测量误差会和石英晶体的谐振频率就会成正比,而作用于石英晶体的负载电容以及分布电容,对多数的石英晶体而言,就会造成负载谐振频率上测量的相对误差,这种情况下,石英晶体分布参数对负载谐振频率测量的影响是较大的,几乎误差在百分之二十到百分之五十之间[2]。
2 石英晶体负载谐振参数的改进测量系统
2.1 石英晶体负载谐振参数改进测量系统的设计
为了增加石英晶体谐振器的负载谐振参数测量精度,使石英晶体谐振器的负载谐振参数测量不断向着更高精度以及更高稳定度的方向发展,本文主要通过对石英晶体谐振器的负载谐振参数测量方法进行了改进,其主要的改进方法是通过内置负载电容以及电容计等最新的设计方法,从而实现对等效负载电容的测量,以及对负载谐振电阻的间接测量,通过这种石英晶体谐振器的负载谐振参数測量系统的改进,使得外接负载电容的测量负载谐振频率,比起过去传统的直接对负载谐振电阻进行测量的方法,在准确度和稳定度上都有了极大的提高,具体改进测量系统的原理如图2所示:
从上图中,我们可以看到放大器A以及选频网络构成选频放大器,石英晶体谐振器的负载谐振参数改进测量系统中的中心频率,通过在计算机的控制下进行自动化的调节,并将选频放大器、电阻R1、电阻R2以及待测晶体共同组成的正反馈网络整体构成一个振荡器,利用振荡器所被测石英晶体的谐振频率传递进入计算机中,从而通过峰值检波器分别检出石英晶体两端的高频电压的峰值。
2.2 石英晶体负载谐振参数改进测量系统的精度分析
对于石英晶体谐振器负载谐振参数的测量方法多种多样,最常用的主要有阻抗计法、振荡器法、π型网络零相位法以及最大传输法,本文根据International Electrotechnical Commission国际电工委员会,主要推荐的晶体电参数测量方法中的π型网络零相位法作为标准,π网络实际上就是一个纯电阻的网络,为了避免在使用π型网络零相位法中可能出现的杂散阻抗,本文在针对石英晶体负载谐振参数改进测量系统,和目前最具有代表性的美国S&A公司生产的250A和250B零相位测量系统进行比较,同时,在比较实验当中适当的利用补偿方法,通过选取合适的补偿器件,更加有效地提高了石英晶体负载谐振参数改进测量系统和美国S&A公司生产的250A和250B零相位测量系统的精准对比性,通过对比,我们可以发现,在1 Hz至200 MHz范围内进行频率测量的情况下,本石英晶体负
载谐振参数改进测量系统的负载谐振参数测量精度的相对误差为±1×10-6,串联谐振电阻的相对测量误差是为加减百分之三点二,负载谐振频率的相对测量误差为±1.3×10-6,负载谐振电阻的相对测量误差为加减百分之八点五。
3 结束语
对于影响石英晶体载谐振频率以及负载谐振电阻测量精度的因素有很多,但通过本文的分析可以发现,影响石英晶体载谐振频率参数测量方法的主要因素是石英晶体的电气特性以及石英晶体分布参数对负载谐振频率测量的影响,针对这两方面的影响因素,通过对石英晶体负载谐振参数的测量系统进行改进,能够更加有效地提高石英晶体谐振器负载谐振参数的测量准确度。
参考文献
[1] 徐军,尤波.应用石英音叉谐振器的智能温度传感器[J].光学精密工程,2013,17(6):1454-1459.
[2] 钟莹,张国雄,郝一龙,等.硅微机械音叉式谐振器[J].仪器仪表报,2012,26(8):783-785.
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