石英晶体电参数测试系统

摘要

一种石英晶体电参数测试系统包括：计算机，发出控制信号；信号发生器，根据控制信号产生第一正弦信号至第四正弦信号；第一π网络，连接到第一石英晶体的两端并接收第一正弦信号；第二π网络，连接到第二石英晶体的两端并接收第二正弦信号；第一混频及幅值检测电路至第四混频及幅值检测电路，分别输出第一差频信号至第四差频信号；第一鉴相电路，输出第一差频信号与第三差频信号之间的第一相位差；第二鉴相电路，输出第二差频信号和第四差频信号之间的第二相位差；模拟数字转换器，接收第一相位差和第二相位差，将第一相位差和第二相位差转换为数字信号并将所述数字信号输入到计算机。

说明书

技术领域

本发明涉及石英晶体电参数测试技术，更具体地讲，涉及一种双通道石 英晶体电参数测试系统。

背景技术

石英晶体谐振器(以下简称石英晶体)是一种广泛应用于通信、计算机、 电子仪表、家用电器等各个领域的元件。随着电子信息产业的飞速发展，尤 其是数字电子技术的广泛应用，石英晶体的市场需求快速增长，石英晶体生 产行业发展迅速，因此对石英晶体电参数的测试精度及效率均提出了更高的 要求。

发明内容

为克服上述问题，提供一种石英晶体电参数测试系统，该系统可包括： 计算机，发出控制信号；信号发生器，根据计算机发出的控制信号产生具有 预定频率的第一正弦信号至第四正弦信号；第一π网络，连接到第一石英晶体 的两端，并接收第一正弦信号；第二π网络，连接到第二石英晶体的两端，并 接收第二正弦信号；第一混频及幅值检测电路，其第一输入端接收第一π网络 的输出信号，其第二输入端接收第四正弦信号，其第一输出端输出与第一π 网络的输出信号的幅值成比例的第一直流信号，其第二输出端输出第一π网络 的输出信号与第四正弦信号之间的第一差频信号；第二混频及幅值检测电路， 其第一输入端接收第二π网络的输出信号，其第二输入端接收第四正弦信号， 其第一输出端输出与第二π网络的输出信号的幅值成比例的第二直流信号，其 第二输出端输出第二π网络的输出信号与第四正弦信号之间的第二差频信号； 第三混频及幅值检测电路，其第一输入端接收第三正弦信号，其第二输入端 接收第四正弦信号，其第一输出端输出与第三正弦信号的幅值成比例的第三 直流信号，其第二输出端输出第三正弦信号与第四正弦信号之间的第三差频 信号；第四混频及幅值检测电路，其第一输入端接收第三正弦信号，其第二 输入端接收第四正弦信号，其第一输出端输出与第三正弦信号的幅值成比例 的第四直流信号，其第二输出端输出第三正弦信号与第四正弦信号之间的第 四差频信号；第一鉴相电路，接收第一差频信号和第三差频信号，并输出第 一差频信号与第三差频信号之间的第一相位差；第二鉴相电路，接收第二差 频信号和第四差频信号，并输出第二差频信号和第四差频信号之间的第二相 位差；模拟数字转换器，接收第一相位差和第二相位差，将第一相位差和第 二相位差转换为数字信号并将所述数字信号输入到计算机。

第三正弦信号与第一正弦信号可同频但不同相，第三正弦信号与第二正 弦信号可同频但不同相。

第四正弦信号的频率与第一正弦信号、第二正弦信号和第三正弦信号的 频率之间可存在预定的频率差。

在测量第一石英晶体和第二石英晶体的电参数时，首先将第一石英晶体 和第二石英晶体分别替换成短路片，计算机控制四通道信号发生器分别调节 第一正弦信号和第二正弦信号的相位，使得第一π网络的输出信号与第三正弦 信号之间的相位差为零，并且使得第二π网络的输出信号与第三正弦信号之间 的相位差为零；然后移除短路片，将第一石英晶体的两端连接到第一π网络， 将第二石英晶体的两端连接到第二π网络，同时计算机控制四通道信号发生器 分别调节第一正弦信号、第二正弦信号和第三正弦信号的频率，使得第一正 弦信号、第二正弦信号和第三正弦信号总是保持同频，且幅值关系和相位关 系保持不变，第四正弦信号的频率始终与第一正弦信号、第二正弦信号和第 三正弦信号的频率存在预定的频率差；当第一π网络的输出信号与第三正弦信 号之间的相位差再次为零时，此时四通道信号发生器输出的第一正弦信号、 第二正弦信号或第三正弦信号的频率为第一石英晶体的串联谐振频率；当第 二π网络的输出信号与第三正弦信号之间的相位差再次为零时，此时四通道信 号发生器输出的第一正弦信号、第二正弦信号或第三正弦信号的频率为第二 石英晶体的串联谐振频率。

在调节第一正弦信号至第四正弦信号的频率的过程中，计算机以预定的 时间间隔按照预定的频距控制四通道信号发生器输出的第一正弦信号至第四 正弦信号的频率从低到高变化。

模拟数字转换器接收第一直流信号至第四直流信号，将第一直流信号至 第四直流信号转换为数字信号并将所述数字信号输入到计算机；计算机根据 第一直流信号和第三直流信号的幅值、第三正弦信号的幅值以及第一石英晶 体的串联谐振频率计算第一石英晶体的串联电阻、静态电容、动态电容和动 态电感，根据第二直流信号和第四直流信号的幅值、第三正弦信号的幅值以 及第二石英晶体的串联谐振频率计算第二石英晶体的串联电阻、静态电容、 动态电容和动态电感。

第一π网络可包括：第一电阻器；第二电阻器，与第一电阻器并联；第三 电阻器，连接在第一电阻器和第二电阻器之间，第一电阻器和第三电阻器之 间的节点连接到四通道信号发生器以接收第一正弦信号；第四电阻器，与第 二电阻器并联；第五电阻器，与第四电阻器并联；第六电阻器，连接在第四 电阻器和第五电阻器之间，第五电阻器和第六电阻器之间的节点连接到第一 混频及幅值检测电路的第一输入端，第一石英晶体连接在第二电阻器和第三 电阻器之间的节点与第四电阻器和第六电阻器之间的节点之间。

第二π网络可包括：第七电阻器，连接到四通道信号发生器；第八电阻器， 与第七电阻器并联；第九电阻器，连接在第七电阻器和第八电阻器之间，第 七电阻器和第九电阻器之间的节点连接到四通道信号发生器以接收第二正弦 信号；第十电阻器，与第八电阻器并联；第十一电阻器，与第十电阻器并联； 第十二电阻器，连接在第十电阻器和第十一电阻器之间，第十一电阻器和第 十二电阻器之间的节点连接到第二混频及幅值检测电路的第一输入端，第二 石英晶体连接在第八电阻器和第九电阻器之间的节点与第十电阻器和第十二 电阻器之间的节点之间。

四通道信号发生器可以是直接数字频率合成器。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及 优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1是根据本发明的石英晶体电参数测试系统的框图；

图2是根据本发明的石英晶体电参数测试系统的第一π网络的结构图；

图3是根据本发明的石英晶体电参数测试系统的第二π网络的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

当石英晶体谐振时，石英晶体表现出纯阻抗性质，石英晶体只有阻抗分 量，而石英晶体的容抗分量和感抗分量之和为零，因此石英晶体两端的相位 差为零。根据石英晶体的谐振特性，可测试石英晶体的串联谐振频率以及其 它电参数(例如串联电阻、静态电容、动态电容和动态电感)。石英晶体的串联 谐振频率、串联电阻、静态电容、动态电容和动态电感是石英晶体的等效电 路中的电参数。

图1是根据本发明的石英晶体电参数测试系统的框图。

参照图1，石英晶体电参数测试系统包括计算机1、四通道信号发生器2、 第一π网络31、第二π网络32、第一混频及幅值检测电路41、第二混频及幅 值检测电路42、第三混频及幅值检测电路43、第四混频及幅值检测电路44、 第一鉴相电路51、第二鉴相电路52以及模拟数字转换器(ADC)6。

计算机1将控制信号发送到四通道信号发生器2。四通道信号发生器2 根据计算机1发送的控制信号产生具有预定频率的四路正弦信号(即，第一 正弦信号T₁至第四正弦信号T₄)。四通道信号发生器2可以是直接数字频率 合成器(DDS)。

第一π网络31连接到第一石英晶体Y₁的两端，第二π网络32连接到第二 石英晶体Y₂的两端。第一π网络31接收四通道信号发生器2产生的第一正弦 信号T₁，第一正弦信号T₁用作第一π网络31的激励信号。第二π网络32接收 四通道信号发生器2产生的第二正弦信号T₂，第二正弦信号T2用作第二π网 络32的激励信号。第三正弦信号T₃用作比较信号，第四正弦信号T₄用作参 考信号。第一正弦信号T₁可与第三正弦信号T₃同频但不同相，第二正弦信号 T₂可与第三正弦信号T₃同频但不同相。第四正弦信号T₄的频率可与第一正 弦信号T₁、第二正弦信号T₂和第三正弦信号T₃的频率之间存在预定的频率 差(例如频率差为10.7MHz)。

第一混频及幅值检测电路41具有第一输入端(本振信号输入端)和第二 输入端(参考信号输入端)，第一输入端接收本振信号，第二输入端接收参考 信号，并且具有两个输出端，第一输出端输出与接收的本振信号的幅值成比 例的直流信号，第二输出端输出所接收的本振信号与参考信号之间的差频信 号。第二混频及幅值检测电路42至第四混频及幅值检测电路44具有类似的 结构，这里不再重述。

第一混频及幅值检测电路41的第一输入端(L端)连接到第一π网络31 的第一输出端以接收作为本振信号的第一π网络31的输出信号，第二输入端 (H端)接收作为参考信号的第四正弦信号T₄。第一混频及幅值检测电路41 的第一输出端输出与第一π网络31的输出信号的幅值成比例的第一直流信号 I₁，第二输出端输出第一π网络31的输出信号与第四正弦信号T₄之间的第一 差频信号F₁。

第二混频及幅值检测电路42的第一输入端连接到第二π网络32的第一输 出端以接收作为本振信号的第二π网络32的输出信号，第二输入端接收作为 参考信号的第四正弦信号T₄。第二混频及幅值检测电路42的第一输出端输出 与第二π网络32的输出信号的幅值成比例的第二直流信号I₂，第二输出端输 出第二π网络32的输出信号与第四正弦信号T₄之间的第二差频信号F₂。

第三混频及幅值检测电路43的第一输入端接收第三正弦信号T₃，第二 输入端接收作为参考信号的第四正弦信号T₄。第三混频及幅值检测电路43 第一输出端输出与第三正弦信号T₃的幅值成比例的第三直流信号I₃，第二输 出端输出第三正弦信号T₃与第四正弦信号T₄之间的第三差频信号F₃。

第四混频及幅值检测电路44的第一输入端接收第三正弦信号T₃，第二 输入端接收作为参考信号的第四正弦信号T₄。第四混频及幅值检测电路44 第一输出端输出与第三正弦信号T₃的幅值成比例的第四直流信号I₄，第二输 出端输出第三正弦信号T₃与第四正弦信号T₄之间的第四差频信号F₄。

第一鉴相电路51接收第一差频信号F₁和第三差频信号F₃，并输出第一 差频信号F₁与第三差频信号F₃之间的第一相位差P₁。第二鉴相电路52接收 第二差频信号F₂和第四差频信号F₄，并输出第二差频信号F₂和第四差频信号 F₄之间的第二相位差P₂。

ADC6接收第一相位差P₁和第二相位差P₂，将第一相位差P₁和第二相 位差P₂转换为数字信号并将所述数字信号输入到计算机1。

第一直流信号I₁反映了第一π网络31的输出信号的幅值(第一直流信号 I₁与第一π网络31的输出信号同频)，第二直流信号I₂反映了第二π网络32的 输出信号的幅值(第二直流信号I₂与第二π网络32的输出信号同频)，第三直 流信号I₃和第四直流信号I₄反映了作为比较信号的第三正弦信号T₃的幅值。 第一差频信号F₁是第一π网络31的输出信号与作为参考信号的第四正弦信号 T₄之间的频率差，第二差频信号F₂是第二π网络32的输出信号与作为参考信 号的第四正弦信号T₄之间的频率差。第三差频信号F₃和第四差频信号F₄均 为第三正弦信号T₃与第四正弦信号T₄之间的频率差。

在测量石英晶体的电参数时，先将被测晶体(第一石英晶体Y₁和第二石 英晶体Y₂)替换成短路片，计算机1控制四通道信号发生器2分别调节第一 正弦信号T₁和第二正弦信号T₂的相位，使得第一π网络31的输出信号与第 三正弦信号T₃之间的相位差为零，并且使得第二π网络32的输出信号与第三 正弦信号T₃之间的相位差为零。然后移除短路片，将第一石英晶体Y₁插入 第一π网络31(即，将第一石英晶体Y₁的两端连接到第一π网络31)，将第二 石英晶体Y₂插入第二π网络32(即，将第二石英晶体Y₂的两端连接到第二π 网络32)，同时计算机1控制四通道信号发生器2分别调节第一正弦信号T₁、 第二正弦信号T₂和第三正弦信号T₃的频率，使得它们总是保持同频，且幅值 关系和相位关系保持不变，第四正弦信号T₄的频率始终与其它三路信号的频 率存在预定的频率差(例如频率差为10.7MHz)。当第一π网络31的输出信号 与第三正弦信号T₃之间的相位差再次为零时，此时四通道信号发生器2输出 的第一正弦信号T₁、第二正弦信号T₂或第三正弦信号T₃的频率为第一石英 晶体Y₁的串联谐振频率；当第二π网络32的输出信号与第三正弦信号T₃之 间的相位差再次为零时，此时四通道信号发生器2输出的第一正弦信号T₁、 第二正弦信号T₂或第三正弦信号T₃的频率为第二石英晶体Y₂的串联谐振频 率。

在调节第一正弦信号T₁至第四正弦信号T₄的频率的过程中，计算机1 可以以预定的时间间隔，按照预定的频距(频距通常为石英晶体的目标串联谐 振频率的百万分之一至百万分之三十，即，1ppm至30ppm)，控制四通道信 号发生器2输出的第一正弦信号T₁至第四正弦信号T₄的频率从低到高变化。

ADC6还接收第一直流信号I₁至第四直流信号I₄，将第一直流信号I₁至 第四直流信号I₄转换为数字信号并将所述数字信号输入到计算机1。计算机1 根据第一直流信号I₁和第三直流信号I₃的幅值、第三正弦信号T₃的幅值以及 第一石英晶体Y₁的串联谐振频率计算第一石英晶体Y₁的串联电阻、静态电 容、动态电容和动态电感等电参数；计算机1根据第二直流信号I₂和第四直 流信号I₄的幅值、第三正弦信号T₃的幅值以及第二石英晶体Y₂的串联谐振 频率计算第二石英晶体Y₂的串联电阻、静态电容、动态电容和动态电感等电 参数。

第一π网络31和第二π网络32可以是纯阻抗网络。下面描述第一π网络 31和第二π网络32的具体结构。图2是根据本发明的石英晶体电参数测试系 统的第一π网络的结构图，图3是根据本发明的石英晶体电参数测试系统的第 二π网络的结构图。

参照图2，第一π网络31包括：第一电阻器R₁；第二电阻器R₂，与第一 电阻器R₁并联；第三电阻器R₃，连接在第一电阻器R₁和第二电阻器R₂之间， 第一电阻器R₁和第三电阻器R₃之间的节点连接到四通道信号发生器2以接 收第一正弦信号T1；第四电阻器R₄，与第二电阻器R₂并联；第五电阻器R₅， 与第四电阻器R₄并联；第六电阻器R₆，连接在第四电阻器R₄和第五电阻器 R₅之间，第五电阻器R₅和第六电阻器R₆之间的节点(即，第一π网络31的 输出端)连接到第一混频及幅值检测电路41的第一输入端。第一石英晶体 Y₁连接在第二电阻器R₂和第三电阻器R₃之间的节点与第四电阻器R₄和第六 电阻器R₆之间的节点之间。电阻器R₁、R₂、R₃以及电阻器R₄、R₅、R₆构成 两个对称π型电阻网络。V_A是输入的激励信号(例如四通道信号发生器2产生 的第一正弦信号T1)，V_B是第一π网络31的输出信号，它们都是矢量电压信 号。例如，第一电阻器至第六电阻器的各个电阻值为R₁＝R₅＝159Ω， R₂＝R₄＝14.2Ω，R₃＝R₆＝66.2Ω。当第一石英晶体Y₁谐振时，第一石英晶体Y₁表现出纯阻抗性质，第一石英晶体Y₁只有阻抗分量，而第一石英晶体Y₁的 容抗分量和感抗分量之和为零，因此的第一π网络31两端的相位差为零。根 据石英晶体的谐振特性，可测试石英晶体的串联谐振频率。

类似地，参照图3，第二π网络32包括：第七电阻器R₇，连接到四通道 信号发生器2；第八电阻器R₈，与第七电阻器R₇并联；第九电阻器R₉，连接 在第七电阻器R₇和第八电阻器R₈之间，第七电阻器R₇和第九电阻器R₉之间 的节点连接到四通道信号发生器2以接收第二正弦信号T2；第十电阻器R₁₀， 与第八电阻器R₈并联；第十一电阻器R₁₁，与第十电阻器R₁₀并联；第十二电 阻器R₁₂，连接在第十电阻器R₁₀和第十一电阻器R₁₁之间，第十一电阻器R₁₁和第十二电阻器R₁₂之间的节点(即，第二π网络32的输出端)连接到第二 混频及幅值检测电路42的第一输入端。第二石英晶体Y₂连接在第八电阻器 R₈和第九电阻器R₉之间的节点与第十电阻器R₁₀和第十二电阻器R₁₂之间的 节点之间。电阻器R₇、R₈、R₉以及电阻器R₁₀、R₁₁、R₁₂构成两个对称π型电 阻网络。例如，第七电阻器至第十二电阻器的各个电阻值为R₇＝R₁₁＝159Ω， R₈＝R₁₀＝14.2Ω，R₉＝R₁₂＝66.2Ω。当第二石英晶体Y₂谐振时，第二石英晶体 Y₂表现出纯阻抗性质，第一石英晶体Y₂只有阻抗分量，而第二石英晶体Y₂的容抗分量和感抗分量之和为零，因此的第二π网络32两端的相位差为零。 根据石英晶体的谐振特性，可测试石英晶体的串联谐振频率。

根据本发明的双通道石英晶体电参数测试系统采用四通道信号源、双鉴 相通道进和双通道采样，具有两路独立的石英晶体电参数测试电路，可以同 时测量两个晶体；测试系统中π网络引入的杂散电抗导致的相移可以通过信号 发生器主动校正。由于采用两路独立的测试电路，所以可以提高石英晶体电 参数的测试效率，使得测试系统可以同时适应石英晶体生产的不同环节，相 位的主动偏移较准方式有利于提高石英晶体电参数的测试精度。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域 的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围 的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。