1． 导言
在石英晶体的中心测验中，需求丈量串联谐振频率、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。其间，静电容C0主要由石英晶体两头所镀银膜决议，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运用目标密切相关。
现在，IEC（世界电工委员会）所引荐的石英晶体丈量的规范办法是π网络零相位法。在该办法中，未规则丈量静电容的规范办法。若选用谐振法、沟通电桥法等常用办法来丈量静电容，会添加整个丈量体系的复杂性，而且对谐振频率的丈量发生晦气影响。本课题提出了一种依据π网络零相位法的丈量石英晶体静电容的新办法，并据此规划制作了试验丈量体系。
2．丈量原理与电路
2．1石英晶体的等效电参数模型
石英晶体的等效电参数模型如图1所示：
其间，C0是石英晶体两电极间的电容，称为石英晶体的静电容，C1称为石英晶体的动电容，L1称为石英晶体的动电感，R1表明石英晶体在振动时的损耗，称为串联谐振电阻。当鼓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。因为C1、L1的值十分小，当鼓励信号的频率远离石英晶体的谐振频率时，R1、C1、L1的影响能够忽略不计，此刻，石英晶体等效成一个值为C0的电容。
2．2 π网络法原理
IEC所引荐的π网络如图2所示：
网络的阻抗与测验外表的阻抗相匹配，并衰减来自测验仪器的反射信号。M为待测石英晶体。Va是输入鼓励信号，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况时，其表现为纯电阻特性，此刻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，经过改动Va的频率并检测Va与Vb之间相位差能够找到石英晶体的谐振频率。关于π网络中石英晶体的静电容怎么丈量，IEC并未引荐规范办法。pπ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，它们的作用是使
2．3 常用测电容的办法
常用的丈量电容办法主要有谐振法、沟通电桥法和充放电法。谐振法是将电容引进振动电路中，使得振动频率成为电容的函数，经过丈量该频率值来核算电容值。沟通电桥法将电容接入沟通电桥中，调整电桥中的可调电阻和可调电容使得电桥平衡，依据平衡时电桥各臂的电阻和电容值核算被测电容值。充放电法运用沟通信号源对电容充电，然后将电容接入放电电路中，经过丈量电容的放电时刻来核算电容值。因为π网络法是经过丈量π网络两头的矢量电压来得到石英晶体电参数值，与上述三种办法并不共同，所以假如选用这三种办法丈量石英晶体的静电容都需求添加额定的丈量电路，而且会因而添加π网络电路的杂散项，对丈量石英晶体的谐振频率发生晦气影响。
2．4 依据π网络的静电容丈量办法
使用DDS（直接数字频率组成）信号源作为鼓励源，其输出沟通信号频率远离石英晶体谐振频率，该信号鼓励接有被测石英晶体的π网络。此刻，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必定的函数联系，因为输入电压和π网络的参数已知，丈量输出电压并依据这一函数联系，能够核算出C0值。这种办法与测石英晶体谐振频率的办法很类似，都需求使用DDS输出信号作为鼓励信号并检测π网络输出的矢量电压。两者差异在于丈量谐振频率要求检测输入电压和输出电压之间相位差，而丈量静电容则要求丈量输入电压和输出电压的幅值。因而，对这两个矢量电压信号选用幅相检测的办法能够使丈量石英晶体的谐振频率和静电容一致起来。
原理框图如图3所示：
其间，DDS输出两路幅值、频率和相位均相同的信号。一路鼓励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丈量规模为0～200MHz。在这一规模内选取30MHz和68MHz两个频率点作为鼓励信号的设定频率。具体办法是，当石英晶体的谐振频率在30MHz邻近时，设定DDS输出信号频率为68MHz，反之，则设为30MHz。鼓励信号经过π网络后输出电压如式
3． 测验体系规划
3.1 测验体系硬件规划
测验体系硬件框图如图4所示：
测验体系硬件由核算机、CPLD芯片、DDS信号源、π网络、幅相检测模块和A/D转化器组成。其间， CPLD、DDS、幅相检测模块和A/D转化器集成在一块PCI扩展板上。作为操控中心的核算机经过PCI接口宣布的地址和数据信号由CPLD芯片转化为相应的操控逻辑操控DDS、幅相检测模块和A/D转化器作业。DDS信号源宣布设定频率、相位和幅值的信号鼓励π网络。π网络上带有插座，可刺进晶体或电阻、电容等元器件。π网络输出的矢量电压信号Vb接入幅相检测模块。幅相检测模块的输出直流电压输入A/D转化器，转化为数字信号后经CPLD输入核算机。
3.2 测验体系软件规划
测验软件选用Visual C＋＋言语编写，完成人机交互界面、丈量操控和数据处理的功用。丈量操控包含对DDS各通道频率、相位和起伏操控字的设置，以及对A/D转化器内部指令寄存器的写入和转化成果的读取。数据处理部分主要是对已转化为数字量的幅相检测模块的输出直流电压进行核算，由前述联系得出静电容的值。因为在实践丈量条件下， 该直流电压与Vb之间并不是严厉的对数线性联系，所以需求对这一函数联系进行拟合，依据拟合后的联系，可由直流电压值核算出Vb，然后依照前面所列方程，得到静电容C0的值。
4． 试验数据与处理
以S&A公司的250B作为规范仪器，将选用本计划所测得的C0值与250B的丈量成果进行比对，查验丈量精度是否满意工业生产要求。在工业生产中，要求石英晶体静电容的丈量规模为1～10pF，丈量误差小于0.1pF。试验数据如表1所示：
5．定论
在π网络零相位法的基础上，选用了“DDS鼓励、π网络呼应、幅相检测核算容抗”的办法丈量石英晶体的静电容，并由此规划制作了试验丈量体系来完成该计划。该办法把丈量石英晶体的静电容和谐振频率一致起来，简化了丈量电路。经过实践丈量一批晶体和小电容，证明在1～10pF规模内丈量误差小于0.1pF,能满意实践要求，能够在此基础上开发实践的石英晶体中心测验体系。
