一种测量石英晶体静电容的新方法

3． 测试系统设计

3.1 测试系统硬件设计

测试系统硬件框图如图4所示：

测试系统硬件由计算机、CPLD芯片、DDS信号源、π网络、幅相检测模块和A/D转换器组成。其中， CPLD、DDS、幅相检测模块和A/D转换器集成在一块PCI扩展板上。作为控制核心的计算机通过PCI接口发出的地址和数据信号由CPLD芯片转换为相应的控制逻辑控制DDS、幅相检测模块和A/D转换器工作。DDS信号源发出设定频率、相位和幅值的信号激励π网络。π网络上带有插座，可插入晶体或电阻、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转换器，转换为数字信号后经CPLD输入计算机。

3.2 测试系统软件设计

测试软件采用Visual C＋＋语言编写，实现人机交互界面、测量控制和数据处理的功能。测量控制包括对DDS各通道频率、相位和幅度控制字的设置，以及对A/D转换器内部指令寄存器的写入和转换结果的读取。数据处理部分主要是对已转换为数字量的幅相检测模块的输出直流电压进行计算，由前述关系得出静电容的值。由于在实际测量条件下， 该直流电压与Vb之间并不是严格的对数线性关系，所以需要对这一函数关系进行拟合，根据拟合后的关系，可由直流电压值计算出Vb，然后按照前面所列方程，得到静电容C0的值。

4． 实验数据与处理

以SA公司的250B作为标准仪器，将采用本方案所测得的C0值与250B的测量结果进行比对，检验测量精度是否满足工业生产要求。在工业生产中，要求石英晶体静电容的测量范围为1～10pF，测量误差小于0.1pF。实验数据如表1所示：

5．结论

在π网络零相位法的基础上，采用了“DDS激励、π网络响应、幅相检测计算容抗”的方法测量石英晶体的静电容，并由此设计制作了实验测量系统来实现该方案。该方法把测量石英晶体的静电容和谐振频率统一起来，简化了测量电路。通过实际测量一批晶体和小电容，证明在1～10pF范围内测量误差小于0.1pF,能满足实际要求，可以在此基础上开发实际的石英晶体中间测试系统。

本文作者创新点：采用“DDS激励、π网络响应、幅相检测计算容抗”的方法测量石英晶体的静电容，实现了频率测量与电容测量的统一。