石英晶體諧振器基本原理

石英晶體振蕩器簡稱晶振， 是將石英晶體和內(nèi)置的芯片電路組裝在一起構(gòu)成振蕩電路，石英晶體振蕩器屬于有源器件，需要施加 Vcc 供電電壓才能工作，根據(jù)負(fù)載類型不同，其波形輸出有方波、正弦波等。晶體振蕩器可以分普通振蕩器(Oscillator),壓控振蕩器(VCXO),溫補(bǔ)晶振(TCXO),恒溫晶振（OCXO）等，負(fù)載類型主要為 CMOS，TTL，HCMOS，PECL，LVDS 等等。典型的 CMOS 石英晶振振蕩電路見下圖：

采用一個(gè) CMOS 反相器來做放大器，R1 為反饋電阻，使反相器在振蕩初始時(shí)處于線性工作區(qū)。石英晶體與兩個(gè)電容構(gòu)成 PI 網(wǎng)絡(luò)形式的帶通濾波器，在諧振頻率上提供 180°移相所需的增益。

晶體的主要參數(shù)介紹如下

Fr：晶振在固定 Vcc 和 Vco 電壓下的輸出頻率；

I：晶體振蕩器的工作電流，單位一般為 mA；

Tr：輸出波形的上升時(shí)間，一般選取波形幅度的 10%到 90%之間上升沿的時(shí)間段； Tf： 輸出波形的下降時(shí)間，一般選取波形幅度的 90%到 10%之間下降沿的時(shí)間段； DC： 輸出波形的占空比；

VH：邏輯高電平

VL：邏輯低電平

F@V：在特性 Vcc 及 Vco 電壓下的晶振輸出頻率；

High Pul：VCXO 晶振在 Vco（壓控電壓）下的頻率； Low pull：VCXO 晶振在最小 Vco (壓控電壓) 下的頻率；

石英晶體振蕩器，因?yàn)槠鋬?nèi)部的晶體諧振器晶片的諧振頻率在溫度發(fā)生變化時(shí)，其諧振頻率保持穩(wěn)定。石英晶體諧振器的溫度特性與晶片的切角有關(guān)系。對于 AT 切的石英晶體諧振器，其組成的晶體振蕩頻率隨溫度的變化△f 和溫度 T 頁是一個(gè) 3 次函數(shù)關(guān)系。 晶體振蕩器的頻率和溫度關(guān)系符合同樣的函數(shù)關(guān)系。

石英晶體諧振器測量原理

石英晶體振蕩器的測試需要 Vcc 直流電源給晶體振蕩器供電，同時(shí)還需要一路 Vco 電源接到晶體諧振器壓控（或使能）端子，對于某些晶體振蕩器，通過 Vco 通電或斷電來控制振蕩器的頻率輸出。而對于壓控振蕩器（VCXO），Vco 管腳電壓改變，VCXO 的輸出頻率也隨著改變。測量晶振時(shí)，晶體振蕩器的輸出端必須接相應(yīng)的負(fù)載，波形參數(shù)的測量也必須在晶體振蕩器帶負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行。晶體振蕩器典型的測試電路如下圖：

上圖的負(fù)載類型是 CMOS 15pF，晶體振蕩器的輸出端子接 15pF 負(fù)載，其信號輸出分成兩路，一路去頻率計(jì)數(shù)器測量頻率，另外一路連接到示波器測量波形參數(shù)。

典型的 CMOS 輸出波形及定義見下圖：

圖中的 Tr 即輸出波形的上升時(shí)間，Tf 是波形的下降時(shí)間，VOH 是高電平，VOL 是低電平，Period是波形的周期，On Time/Period 的比值是波形在 50%幅度時(shí)的占空比。

系統(tǒng)構(gòu)成及功能

H-9200B 晶體振蕩器器高低溫測試系統(tǒng)主要有精密高低溫箱、程控電源、頻率計(jì)、示波器、數(shù)字萬用表、專用測試頭、溫測盤及控制軟件功構(gòu)成。

精密高低溫箱提供全溫度范圍-55℃~125℃的溫度環(huán)境，待測產(chǎn)品擺放到溫測盤上，放入到精密溫箱內(nèi)部；兩個(gè)程控那個(gè)電源，一路給產(chǎn)品提供 Vcc 電壓，另外一個(gè)提供 Vco 電壓給待測晶振；數(shù)字萬用表用來測量晶體振蕩器的工作電流；頻率計(jì)用來測量晶振的輸出頻率；示波器用來測量 Tr、Tf 等波形參數(shù)；控制軟件用來建立測試文檔，控制溫箱的升溫/降溫以及各個(gè)測量儀器進(jìn)行測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪制晶振的頻率/溫度擬合曲線。

技術(shù)指標(biāo)

● 頻率測量范圍：10KHz-650MHz;

● 頻率精度：+/-1ppm (典型值);

● 電流分辨率：+/-0.5mA

● 測量通道：雙通道;

● 晶振種類：可測量晶體振蕩器，VCXO,TCXO 等;

● 負(fù)載類型：CMOS,TTL,PECL,LVDS,HCSL,ECL 等;

● 測量參數(shù)：Fr. I, Tr, Tf, DC, VH,VL, T, Linearity, F@V, Vpp 等等

● 測試能力：每次可以放置 4 個(gè)測試盤，最多可以測量 512 顆標(biāo)準(zhǔn) SMD 晶振

● 溫測盤：對于標(biāo)準(zhǔn)封裝DIP 全尺寸半尺寸晶振， 50 顆/盤；對于標(biāo)準(zhǔn) SMD 封裝的晶體，128 顆/盤;

● 溫測盤類型：可選 DIP50,7.0x.5.0, 5.0x3.2, 3.2x2.5,2.5x2.0,TXO500,QT88 等等

● 軟件控制：基于 Windows 操作系統(tǒng)，升溫/降溫/測量全自動完成;

● 測量結(jié)果：測量結(jié)果可以打印輸出，并能自動繪制晶體的頻率/溫度擬合曲線;

● 溫度范圍：-55℃ ~ 125℃;

● 溫度穩(wěn)定度：+/-0.1℃;

● 溫度分辨率：+/-0.01℃;

● 制冷方式：雙級壓縮機(jī)制冷;

● 溫度傳感器：雙傳感器測量，一個(gè)測量工作溫度，一個(gè)用于過溫保護(hù);

● 監(jiān)控功能：溫箱能測量、監(jiān)控兩臺壓縮機(jī)的工作電流，并將電流值實(shí)時(shí)顯示在溫箱顯示屏上，具有過流自動保護(hù)功能;

● 保護(hù)功能：溫箱能實(shí)時(shí)測量監(jiān)控兩臺壓縮機(jī)的管路溫度，并將溫度值實(shí)時(shí)顯示在溫箱顯示屏上,具有過溫自動保護(hù)功能;