一種測(cè)量石英晶體諧振器靜電容的新方法

　　2．3 常用測(cè)電容的方法

　　常用的測(cè)量電容方法主要有諧振法、交流電橋法和充放電法。諧振法是將電容引入振蕩電路中，使得振蕩頻率成為電容的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量該頻率值來(lái)計(jì)算電容值。交流電橋法將電容接入交流電橋中，調(diào)整電橋中的可調(diào)電阻和可調(diào)電容使得電橋平衡，根據(jù)平衡時(shí)電橋各臂的電阻和電容值計(jì)算被測(cè)電容值。充放電法使用交流信號(hào)源對(duì)電容充電，然后將電容接入放電電路中，通過(guò)測(cè)量電容的放電時(shí)間來(lái)計(jì)算電容值。由于π網(wǎng)絡(luò)法是通過(guò)測(cè)量π網(wǎng)絡(luò)兩端的矢量電壓來(lái)得到石英晶體電參數(shù)值，與上述三種方法并不一致，所以如果采用這三種方法測(cè)量石英晶體的靜電容都需要增加額外的測(cè)量電路，并且會(huì)因此增加π網(wǎng)絡(luò)電路的雜散項(xiàng)，對(duì)測(cè)量石英晶體的諧振頻率產(chǎn)生不利影響。

　　2．4 基于π網(wǎng)絡(luò)的靜電容測(cè)量方法

　　利用DDS（直接數(shù)字頻率合成）信號(hào)源作為激勵(lì)源，其輸出交流信號(hào)頻率遠(yuǎn)離石英晶體諧振頻率，該信號(hào)激勵(lì)接有被測(cè)石英晶體的π網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，石英晶體等效于一個(gè)值為C0的電容。π網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓與該電容存在一定的函數(shù)關(guān)系，由于輸入電壓和π網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)已知，測(cè)量輸出電壓并根據(jù)這一函數(shù)關(guān)系，可以計(jì)算出C0值。這種方法與測(cè)石英晶體諧振頻率的方法很相似，都需要利用DDS輸出信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)并檢測(cè)π網(wǎng)絡(luò)輸出的矢量電壓。兩者區(qū)別在于測(cè)量諧振頻率要求檢測(cè)輸入電壓和輸出電壓之間相位差，而測(cè)量靜電容則要求測(cè)量輸入電壓和輸出電壓的幅值。因此，對(duì)這兩個(gè)矢量電壓信號(hào)采用幅相檢測(cè)的辦法可以使測(cè)量石英晶體的諧振頻率和靜電容統(tǒng)一起來(lái)。

　　原理框圖如圖3所示：

　　其中，DDS輸出兩路幅值、頻率和相位均相同的信號(hào)。一路激勵(lì)π網(wǎng)絡(luò)，另一路輸入幅相檢測(cè)模塊。本課題要求石英晶體諧振頻率的測(cè)量范圍為0～200MHz。在這一范圍內(nèi)選取30MHz和68MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)作為激勵(lì)信號(hào)的設(shè)定頻率。具體方法是，當(dāng)石英晶體的諧振頻率在30MHz附近時(shí)，設(shè)定DDS輸出信號(hào)頻率為68MHz，反之，則設(shè)為30MHz。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)π網(wǎng)絡(luò)后輸出電壓如式