一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路

技术领域

本发明涉及谐振器技术领域，尤其涉及一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路。

背景技术

石英谐振器晶体有着很高的频率稳定度和极高的品质因素。频率高度稳定的石英晶体已广泛应用于通信技术、测量技术、计算机技术等领域，为各种应用提供精确定时或时钟基准信号。随着我国科技的快速发展，音叉石英谐振器晶体需求量日渐增大，对于音叉石英谐振器晶体的稳定性和可靠性也有更严格的要求。

石英谐振器晶体的主要电参数有：谐振频率fr、串联谐振频率fs、并联谐振频率fa、负载谐振频率fL、并联电容C0、动态电容C1、动态电感L1、谐振电阻Rr、负载谐振电阻RL和激励电平相关性等。

在晶体生产的步骤中需要对晶体进行粗调，粗调时产品需要在空气环境中进行起振，相较最后封盖后的产品的测试来说需要更大的激励功率。

激励功率是石英谐振器晶体的负载条件之一，对施加在石英晶片上的电流的规定参数指标，代表驱动晶振所需的功率。激励功率的大小直接影响着晶振本身的性能。如果激励功率太小，晶体不会起振，如果激励功率超出了谐振器的规格，可能会发生振荡频率和等效电阻的变动等不稳定现象，所以需要通过电路设计把激励功率抑制在规格内。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路。本发明提供一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，包括：

放大电路，所述放大电路包括第一运算放大器、跨导放大器以及第十电阻；晶振信号通过第一运算放大器反相放大，经过跨导放大器转换为电流信号，经过第十电阻变为电压信号加到待测音叉石英谐振器晶体上；

反馈电路，所述反馈电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一整流二极管、第二整流二极管、第九电阻以及第二十四电阻，经第一运算放大器放大后的晶振信号经过第二运算放大器反相放大，再经过第一整流二极管、第二整流二极管以及第三运算放大器转换成直流信号，直流信号经过第四运算放大器反相放大，再经过第九电阻和第二十四电阻分流形成负电流，负电流输入跨导放大器的偏置电流端，用以使电路满足振荡的幅度平衡条件；

测量电路，所述测量电路包括阻抗测量电路和频率测量电路，阻抗测量电路通过第六运算放大器以及第三十四电阻分压获得待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压；频率测量电路通过第五运算放大器以及第四十三电阻分流获得待测音叉石英谐振器晶体频率。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述放大电路包括，晶振信号通过第一滤波电容以及第三电阻与第一运算放大器的反向输入端相连，第一运算放大器的输出端通过第四电阻与第一运算放大器的反向输入端相连，第一运算放大器的同向输入端接地。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述放大电路还包括，第一运算放大器的输出端通过第五电阻和第七电阻与跨导放大器的反向输入端相连，跨导放大器的输出端通过第十电阻转化为电压信号，通过第二滤波电容与待测音叉石英谐振器晶体相连，跨导放大器的同向输入端接地。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述放大电路还包括频率限制电路，频率限制电路的输入端与第五电阻串联连接，频率限制电路的输出端与第七电阻串联连接，频率限制电路包括一个电感和五个电容，五个电容并联后和电感并联，电感的一端与频率测量电路的输入端相连，电感的另一端接地。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述反馈电路包括，第一运算放大器的输出端经第五电阻分压后与第三滤波电容的一端相连，第三滤波电容的另一端与第十四电阻以及第十一电阻相连，第十一电阻与第十二电阻以及第十三电阻串联，第十一电阻与第二整流二极管的输出端以及第十二电阻的交点与第二运算放大的反向输入端相连，第二运算放大器的输出端与第二整流二极管的输入端相连，第一整流二极管的输出端与第二运算放大器的输出端相连，第一整流二极管与第十二电阻和第十三电阻的交点相连，第二运算放大器的同向输入端接地。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述反馈电路还包括，第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻以及第六滤波电容相交于同一点，并与第三运算放大器的反向输入端相连，第三运算放大器的输出端通过第六滤波电容和第十五电阻的并联电路与第三运算放大器的反向输入端相连，第三运算放大器的同向输入端接地。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述反馈电路还包括，第三运算放大器的输出端通过第二十一电阻与第四运算放大器的反向输入端相连，第四运算放大器的输出端通过第九电阻和第二十四电阻分流与跨导放大器的偏置电流端相连，第四运算放大器的输出端通过第二十二电阻与第四运算放大器的反向输入端相连，第四运算放大器的同向输入端接地。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述频率测量电路包括，频率信号通过第四滤波电容与第五运算放大器的同向输入端相连，第四十一电阻与第五运算放大器的同向输入端相连，并通过第四十二电阻接地，第五运算放大器的输出端通过第四十三电阻与第五运算放大器的反向输入端相连，第五滤波电容的一端与第五运算放大器的输入端相连，另一端与第四十一电阻与第四十二电阻的交点相连，通过测量第五运算放大器的输出端频率，获得待测音叉石英谐振器晶体频率。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述阻抗测量电路包括，第三运算放大器的输出端连接第六运算放大器的同向输入端，第六运算放大器的输出端与第六运算放大器的反向输入端相连，通过第三十四电阻分压后，获得待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压。

根据本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，还包括所述第一运算放大器的正负直流电源输入端、第二运算放大器的正负直流电源输入端、第三运算放大器的正负直流电源输入端、第四运算放大器的正负直流电源输入端、第五运算放大器的正负直流电源输入端、第六运算放大器的正负直流电源输入端以及跨导放大器的正负直流电源输入端均通过电容接地。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：音叉谐振器晶体振动时产生的信号是很微弱的，所以本发明选择一个运算放大器和一个跨导放大器作为电路的放大电路，对信号进行放大，选择三个运算放大器作为反馈回路，从而能够测量出音叉谐振器晶体的特性参数。通过选用跨导放大器，它的输入信号是电压，输出信号是电流，是一种增益为跨导的放大器，控制流过音叉谐振器晶体的电流，达到控制音叉谐振器晶体激励功率的效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路的电路原理图。

图2是本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路的放大电路原理图。

图3是本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路的反馈电路原理图。

图4是本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路的频率测量电路原理图。

图5是本发明提供的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路的阻抗测量电路原理图。

附图标记：

U1A、第一运算放大器；U2、跨导放大器；U3A、第二运算放大器；U3B、第三运算放大器；U4A、第四运算放大器；U1B、第五运算放大器；U4B、第六运算放大器；B1、第一滤波电容；B2、第二滤波电容；B3、第三滤波电容；B4、第四滤波电容；A1、第五滤波电容；A2、第六滤波电容；A3、第七滤波电容；01、第一电阻；03、第三电阻；04、第四电阻；05、第五电阻；07、第七电阻；09、第九电阻；10、第十电阻；11、第十一电阻；12、第十二电阻；13、第十三电阻；14、第十四电阻；15、第十五电阻；21、第二十一电阻；22、第二十二电阻；24、第二十四电阻；34、第三十四电阻；41、第四十一电阻；42、第四十二电阻；43、第四十三电阻；L11、电感；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；C5、第五电容；C6、第六电容；C7、第七电容；C8、第八电容；C21、第二十一电容；C22、第二十二电容；C23、第二十三电容；C24、第二十四电容；C25、第二十五电容；D1、第一整流二极管；D2、第二整流二极管；VI、待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压；FO、待测音叉石英谐振器晶体的频率；J1、晶振信号；J2、待测音叉石英谐振器晶体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在相关技术中，音叉谐振器晶体有其固有的振荡频率（32.768KHZ），也称为谐振频率，当音叉谐振器晶体满足幅度平衡条件和相位平衡条件时，将音叉振荡信号直接加在待测音叉石英谐振器晶体上进行参数测试，激励功率的大小直接影响着晶振本身的性能，本发明通过运算放大器将音叉振荡信号增强并通过负反馈调节后进行测试，有效的控制了晶体激励功率。

下面结合图1至图5描述本发明的一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路。如图1所示，一种测量音叉石英谐振器晶体电气参数的测试电路，包括：

放大电路，所述放大电路包括第一运算放大器U1A、跨导放大器U2以及第十电阻10；晶振信号通过第一运算放大器U1A反相放大，经过跨导放大器U2转换为电流信号，经过第十电阻10变为电压信号加到待测音叉石英谐振器晶体上；

反馈电路，所述反馈电路包括第二运算放大器U3A、第三运算放大器U3B、第四运算放大器U4A、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第九电阻09以及第二十四电阻24，第一运算放大器U1A的输出端经第五电阻05分压，获得A点信号，A点信号经过第二运算放大器U3A反相放大，再经过第一整流二极管D1、第二整流二极管D2以及第三运算放大器U3B转换成直流信号，直流信号经过第四运算放大器U4A反相放大，再经过第九电阻09和第二十四电阻24分流形成负电流B，负电流B输入跨导放大器U2的偏置电流端；

测量电路，所述测量电路包括阻抗测量电路和频率测量电路，阻抗测量电路通过第六运算放大器U4B以及第三十四电阻34分压获得待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压；频率测量电路通过第五运算放大器U1B以及第四十三电阻43分流获得待测音叉石英谐振器晶体频率。

如图2所示，晶振信号J1通过第一滤波电容B1滤波，在通过第一电阻01以及第三电阻03变为电压信号与第一运算放大器U1A的反向输入端相连，第一运算放大器U1A的输出端通过第四电阻04与第一运算放大器U1A的反向输入端相连，第一运算放大器U1A的同向输入端接地，第一运算放大器U1A的12V直流电源输入端通过第一电容C1接地，第一运算放大器U1A的-12V直流电源输入端通过第二电容C2接地。

第一运算放大器U1A的输出端通过第五电阻05和第七电阻07与跨导放大器U2的反向输入端相连，跨导放大器U2的输出端通过第十电阻转化为电压信号，通过第二滤波电容B2与待测音叉石英谐振器晶体J2相连，跨导放大器U2的同向输入端接地。跨导放大器U2的12V直流电源输入端通过第三电容C3接地，跨导放大器U2的-12V直流电源输入端通过第四电容C4接地。

本发明的实施例中，第一运算放大器U1A、跨导放大器U2以及待测音叉石英谐振器晶体J2一起构成了选频网络，音叉谐振器晶体振动时产生的信号是很微弱的，通过第一运算放大器U1A将振荡信号增强，再通过跨导放大器U2将电压信号转换为电流信号，控制流过晶体的电流，达到控制晶体激励功率的效果。

本发明的实施例中选用的跨导放大器U2为输入信号是电压、输出信号是电流、增益是跨导的放大器，通过跨导放大器U2的跨导使整个电路满足振荡的幅度平衡条件。

放大电路还包括频率限制电路，频率限制电路包括电感L11和第二十一电容C21、第二十二电容C22、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第二十五电容C25，频率限制电路的输入端与第五电阻05串联连接，频率限制电路的输出端与第七电阻07串联连接，第二十一电容C21、第二十二电容C22、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第二十五电容C25并联后和电感L11并联，电感L11的一端与频率测量电路的输入端相连，电感L11的另一端接地。

本发明的实施例中，电感L11和第二十一电容C21、第二十二电容C22、第二十三电容C23、第二十四电容C24、第二十五电容C25起到限制待测音叉石英谐振器晶体频率上下限的作用，并提供起振信号。

如图3所示，第三滤波电容B3一端与第一运算放大器U1A的输出端经第五电阻05分压，获得A点信号，第三滤波电容B3一端与A点相连，第三滤波电容B3的另一端与第十四电阻14以及第十一电阻11相交于一点，第十一电阻11与第十二电阻12以及第十三电阻13串联，第十一电阻11与第二整流二极管D2的输出端以及第十二电阻12的交点与第二运算放大器U3A的反向输入端相连，第二运算放大器U3A的输出端与第二整流二极管D2的输入端相连，第一整流二极管D1的输出端与第二运算放大器U3A的输出端相连，第一整流二极管D1的输入端与第十二电阻12和第十三电阻13的交点相连，第二运算放大器U3A的同向输入端接地。第二运算放大器U3A的12V直流电源输入端通过第五电容C5接地，第二运算放大器U3A的-12V直流电源输入端通过第六电容C6接地。

第十三电阻13、第十四电阻14、第十五电阻15以及第六滤波电容A2相交于同一点，并与第三运算放大器U3B的反向输入端相连，第三运算放大器U3B的输出端通过第六滤波电容A2和第十五电阻15的并联滤波电路与第三运算放大器U3B的反向输入端相连，第三运算放大器U3B的同向输入端接地。

第三运算放大器U3B的输出端通过第二十一电阻21与第四运算放大器U4A的反向输入端相连，第四运算放大器U4A的输出端通过第九电阻09和第二十四电阻24分流后与跨导放大器U2的偏置电流端相连，第四运算放大器U4A的输出端通过第二十二电阻22与第四运算放大器U4A的反向输入端相连，第四运算放大器U4A的同向输入端接地。第四运算放大器U4A的12V直流电源输入端通过第七电容C7接地，第四运算放大器U4A的-12V直流电源输入端通过第八电容C8接地。

本发明的实施例中，通过第一运算放大器U1A，再通过第一整流二极管D1、第二整流二极管D2以及第三运算放大器U3B将交流信号转换成直流信号，再经过第四运算放大器U4A 反相放大，再通过第九电阻09和第二十四电阻24分流形成负电流，负电流进入跨导放大器U2的偏置电流端。反馈电路根据晶振谐振频率的变化改变偏置电流的大小，进而影响跨导放大器的跨导，使整个电路满足振荡的幅度平衡条件，也使后续的阻抗测量电路去除了频率因素的影响。

如图4所示，频率限制电路的任意一点信号为D点信号，D点信号通过第四滤波电容B4与第五运算放大器U1B的同向输入端相连，第四十一电阻41与第五运算放大器U1B的同向输入端相连，并通过第四十二电阻42接地，第五运算放大器U1B的输出端通过第四十三电阻43与第五运算放大器U1B的反向输入端相连，第五滤波电容A1的一端与第五运算放大器U1B的输入端相连，第五滤波电容A1的另一端与第四十一电阻41与第四十二电阻42的交点相连，通过测量第五运算放大器U1B的输出端频率，通过频率采集设备采集待测音叉石英谐振器晶体的频率FO。

本发明的实施例中，通过第一运算放大器U1A的反向放大，再通过反馈电路的放大隔离，使信号的波形和幅值都能够满足测量的要求，通过频率采集设备即可获得待测音叉石英谐振器晶体的频率。

如图5所示，第三运算放大器U3B的输出端C点信号与第六运算放大器U4B的同向输入端相连，第六运算放大器U4B的输出端与第六运算放大器U4B的反向输入端相连，第六运算放大器U4B的输出电压通过第三十四电阻分压后，获得待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压VI,待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压VI通过第七滤波电容A3接地。

根据待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压VI以及阻抗和电压关系，得到待测音叉石英谐振器晶体阻抗的参考值。

影响待测音叉石英谐振器晶体阻抗电压VI的因素包括跨导放大器U2的输出电流以及待测音叉石英谐振器晶体自身阻抗，跨导放大器U2的输出电流由待测音叉石英谐振器晶体的谐振频率影响。

本发明的有益效果是：音叉谐振器晶体振动时产生的信号是很微弱的，所以本发明选择一个运算放大器和一个跨导放大器作为电路的放大电路，对信号进行放大，选择三个运算放大器作为反馈回路，从而能够测量出音叉谐振器晶体的特性参数。通过选用跨导放大器，它的输入信号是电压，输出信号是电流，是一种增益为跨导的放大器，控制流过音叉谐振器晶体的电流，达到控制音叉谐振器晶体激励功率的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。