CN103001627A

CN103001627A - 石英晶体谐振频率微调控制系统

Info

Publication number: CN103001627A
Application number: CN201210480561.7A
Authority: CN
Inventors: 王艳林; 王中宇; 李东; 刘桂礼
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: CN103001627B

Abstract

一种石英晶体频率微调控制系统包括：计算机，发出控制信号；信号发生器，根据控制信号产生正弦信号；第一π网络，连接到第一石英晶体的两端，并接收正弦信号；第二π网络，连接到第二石英晶体的两端，并接收正弦信号；第一鉴相电路，连接到第一π网络的两端，检测第一π网络两端的正弦信号之间的第一相位差；第二鉴相电路，连接到第二π网络的两端，检测第二π网络两端的正弦信号之间的第二相位差；第一模拟数字转换器，从第一鉴相电路接收第一相位差，将第一相位差转换为第一数字信号并将第一数字信号输入到计算机；第二模拟数字转换器，从第二鉴相电路接收第二相位差，将第二相位差转换为第二数字信号并将第二数字信号输入到计算机。

Description

石英晶体谐振频率微调控制系统

技术领域

本发明涉及石英晶体谐振频率测量技术，更具体地讲，涉及一种双通道独立鉴相的石英晶体谐振频率微调测控系统。

背景技术

石英晶体谐振器(以下简称石英晶体)是一种广泛应用于通信、计算机、电子仪表、家用电器等各个领域的元件。随着电子信息产业的飞速发展，尤其是数字电子技术的广泛应用，石英晶体的市场需求快速增长，石英晶体生产行业发展迅速。石英晶体频率微调设备是石英晶体生产过程中的重要设备，该设备主要通过在石英晶体上镀银来微调石英晶体的谐振频率，从而使得石英晶体的谐振频率达到期望的目标频率。

目前，石英晶体谐振频率微调测控系统主要有单通道方式和双通道方式。为了提高生产效率，更倾向于采用双通道测控系统，但是由于在微调过程中，石英晶体频率变化非常快，要求测试系统的测试速度越快越好。目前的双通道测试系统的测试方法是两个通道轮流测试石英晶体的谐振频率，使用模拟开关切换测试晶体。这种方式使石英晶体测试速度受到限制，从而导致微调速度不能太快，否则微调精度会变差。

发明内容

为克服上述问题，提供一种石英晶体频率微调控制系统，该系统包括：计算机，发出控制信号；信号发生器，根据计算机发出的控制信号产生具有预定频率的正弦信号；第一π网络，连接到第一石英晶体的两端，并接收信号发生器产生的正弦信号；第二π网络，连接到第二石英晶体的两端，并接收信号发生器产生的正弦信号；第一鉴相电路，连接到第一π网络的两端，检测第一π网络两端的正弦信号之间的第一相位差；第二鉴相电路，连接到第二π网络的两端，检测第二π网络两端的正弦信号之间的第二相位差；第一模拟数字转换器，从第一鉴相电路接收第一相位差，将第一相位差转换为第一数字信号并将第一数字信号输入到计算机；第二模拟数字转换器，从第二鉴相电路接收第二相位差，将第二相位差转换为第二数字信号并将第二数字信号输入到计算机。

所述石英晶体频率微调控制系统还可包括：接口电路，连接在计算机和信号发生器之间，并且连接在计算机与第一模拟数字转换器和第二模拟数字转换器之间，计算机通过接口电路将控制信号发送到信号发生器，第一模拟数字转换器通过接口电路将第一数字信号输入到计算机，第二模拟数字转换器通过接口电路将第二数字信号输入到计算机。

所述石英晶体频率微调控制系统还可包括：第一信号驱动器，连接在信号发生器和第一π网络之间，第一信号驱动器将信号发生器产生的正弦信号进行驱动放大，并且将放大后的正弦信号提供给第一π网络；第二信号驱动器，连接在信号发生器和第二π网络之间，第二信号驱动器将信号发生器产生的正弦信号进行驱动放大，并且将放大后的正弦信号提供给第二π网络。

所述石英晶体频率微调控制系统还可包括：第一鉴相信号放大器，连接在第一鉴相电路和第一模拟数字转换器之间，第一鉴相信号放大器将第一鉴相电路检测的第一相位差进行放大，并且将放大后的第一相位差提供给第一模拟数字转换器；第二鉴相信号放大器，连接在第二鉴相电路和第二模拟数字转换器之间，第二鉴相信号放大器将第二鉴相电路检测的第二相位差进行放大，并且将放大后的第二相位差提供给第二模拟数字转换器。

信号发生器可以是直接数字频率合成器。

在测试石英晶体的谐振频率时，计算机按照预定的频距控制信号发生器输出的正弦信号的频率从低到高变化，每变换一次频率，第一鉴相电路检测检测第一π网络两端的正弦信号之间的第一相位差，同时第二鉴相电路检测检测第二π网络两端的正弦信号之间的第二相位差，当第一相位差和第二相位差中的一个为零时，此时信号发生器输出的正弦信号的频率为与两端相位差为零的π网络连接的石英晶体的谐振频率。

计算机继续控制信号发生器输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐增大，直到测试出第一石英晶体和第二石英晶体中的另一石英晶体的谐振频率。

在对石英晶体的谐振频率进行微调时，计算机控制信号发生器输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐下降到石英晶体的目标谐振频率，然后对石英晶体逐步镀银，同时计算机判断相应鉴相电路输出的相位差是否为零，当相位差为零时，停止对石英晶体镀银。

第一π网络可包括：第一电阻器，连接到信号发生器；第二电阻器，与第一电阻器并联；第三电阻器，连接在第一电阻器和第二电阻器之间；第四电阻器，与第二电阻器并联；第五电阻器，与第四电阻器并联，第五电阻器的两端连接到第一鉴相电路；第六电阻器，连接在第四电阻器和第五电阻器之间，第一石英晶体连接在第二电阻器和第三电阻器之间的节点与第四电阻器和第六电阻器之间的节点之间。

第二π网络可包括：第七电阻器，连接到信号发生器；第八电阻器，与第七电阻器并联；第九电阻器，连接在第七电阻器和第八电阻器之间；第十电阻器，与第八电阻器并联；第十一电阻器，与第十电阻器并联，第十一电阻器的两端连接到第二鉴相电路；第十二电阻器，连接在第十电阻器和第十一电阻器之间，第二石英晶体连接在第八电阻器和第九电阻器之间的节点与第十电阻器和第十二电阻器之间的节点之间。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1是根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的框图；

图2是根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的第一π网络的结构图；

图3是根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的第二π网络的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

当石英晶体谐振时，石英晶体表现出纯阻抗性质，石英晶体只有阻抗分量，而石英晶体的容抗分量和感抗分量之和为零，因此石英晶体两端的相位差为零。根据石英晶体的谐振特性，可测试石英晶体的谐振频率。

图1是根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的框图。

参照图1，石英晶体谐振频率微调控制系统包括计算机1、信号发生器2、第一π网络31、第二π网络32、第一鉴相电路41、第二鉴相电路42、第一模拟数字转换器(ADC)51、第二ADC 52以及接口电路6。

接口电路6连接在计算机1和信号发生器2之间，接口电路6可以是PCI(外设部件互连)接口电路。计算机1通过接口电路6将控制信号发送到信号发生器2。信号发生器2根据计算机1发送的控制信号产生具有预定频率的正弦信号。第一π网络31连接到第一石英晶体Y₁的两端，第二π网络32连接到第二石英晶体Y₂的两端。第一π网络31和第二π网络32接收信号发生器2产生的正弦信号。信号发生器2可以是直接数字频率合成器(DDS)。

第一π网络31和第二π网络32均是纯阻抗网络。下面描述第一π网络31和第二π网络32的具体结构。图2是根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的第一π网络的结构图，图3是根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的第二π网络的结构图。

参照图2，第一π网络31包括：第一电阻器R₁，连接到信号发生器2；第二电阻器R₂，与第一电阻器R₁并联；第三电阻器R₃，连接在第一电阻器R₁和第二电阻器R₂之间；第四电阻器R₄，与第二电阻器R₂并联；第五电阻器R₅，与第四电阻器R₄并联，第五电阻器R₅的两端连接到第一鉴相电路41；第六电阻器R₆，连接在第四电阻器R₄和第五电阻器R₅之间。第一石英晶体Y₁连接在第二电阻器R₂和第三电阻器R₃之间的节点与第四电阻器R₄和第六电阻器R₆之间的节点之间。电阻器R₁、R₂、R₃以及电阻器R₄、R₅、R₆构成两个对称π型电阻网络。V_A是输入的激励信号(例如信号发生器2产生的正弦信号)，V_B是第一π网络31的输出信号，它们都是矢量电压信号。例如，第一电阻器至第六电阻器的各个电阻值为R₁＝R₅＝159Ω，R₂＝R₄＝14.2Ω，R₃＝R₆＝66.2Ω。当第一石英晶体Y₁谐振时，第一石英晶体Y₁表现出纯阻抗性质，第一石英晶体Y₁只有阻抗分量，而第一石英晶体Y₁的容抗分量和感抗分量之和为零，因此的第一π网络31两端的相位差为零。根据石英晶体的谐振特性，可测试石英晶体的谐振频率。

类似地，参照图3，第二π网络32包括：第七电阻器R₇，连接到信号发生器2；第八电阻器R₈，与第七电阻器R₇并联；第九电阻器R₉，连接在第七电阻器R₇和第八电阻器R₈之间；第十电阻器R₁₀，与第八电阻器R₈并联；第十一电阻器R₁₁，与第十电阻器R₁₀并联，第十一电阻器R₁₁的两端连接到第二鉴相电路42；第十二电阻器R₁₂，连接在第十电阻器R₁₀和第十一电阻器R₁₁之间。第二石英晶体Y₂连接在第八电阻器R₈和第九电阻器R₉之间的节点与第十电阻器R₁₀和第十二电阻器R₁₂之间的节点之间。电阻器R₇、R₈、R₉以及电阻器R₁₀、R₁₁、R₁₂构成两个对称π型电阻网络。例如，第七电阻器至第十二电阻器的各个电阻值为R₇＝R₁₁＝159Ω，R₈＝R₁₀＝14.2Ω，R₉＝R₁₂＝66.2Ω。当第二石英晶体Y₂谐振时，第二石英晶体Y₂表现出纯阻抗性质，第一石英晶体Y₂只有阻抗分量，而第二石英晶体Y₂的容抗分量和感抗分量之和为零，因此的第二π网络32两端的相位差为零。根据石英晶体的谐振特性，可测试石英晶体的谐振频率。

第一鉴相电路41连接到第一π网络31的两端，检测第一π网络31两端的正弦信号之间的第一相位差。第二鉴相电路42连接到第二π网络32的两端，检测第二π网络32两端的正弦信号之间的第二相位差。第一ADC 51从第一鉴相电路41接收第一相位差，将第一相位差转换为第一数字信号并通过接口电路6将第一数字信号输入到计算机1。第二ADC 52从第二鉴相电路42接收第二相位差，将第二相位差转换为第二数字信号并通过接口电路6将第二数字信号输入到计算机1。

为了提高正弦信号的质量，可在信号发生器2和第一π网络31之间连接第一信号驱动器71，第一信号驱动器71将信号发生器2产生的正弦信号进行驱动放大，并且将放大后的正弦信号提供给第一π网络31；可在信号发生器2和第二π网络32之间连接第二信号驱动器72，第二信号驱动器72将信号发生器2产生的正弦信号进行驱动放大，并且将放大后的正弦信号提供给第二π网络32。

类似地，为了提高相位差的精度，可在第一鉴相电路41和第一ADC 51之间连接第一鉴相信号放大器81，第一鉴相信号放大器81将第一鉴相电路41检测的第一相位差进行放大，并且将放大后的第一相位差提供给第一ADC51；可在第二鉴相电路42和第二ADC 52之间连接第二鉴相信号放大器82，第二鉴相信号放大器82将第二鉴相电路42检测的第二相位差进行放大，并且将放大后的第二相位差提供给第二ADC 52。

在测试过程中，计算机1根据石英晶体测试参数的设置，在设定的扫描频率范围内，以预定的时间间隔，按照预定的频距(频距通常为石英晶体的目标谐振频率的百万分之一至百万分之三十，即，1ppm至30ppm)，控制信号发生器2输出的正弦信号的频率从低到高变化，每变换一次频率，第一鉴相电路41检测检测第一π网络31两端的正弦信号之间的第一相位差，同时第二鉴相电路42检测检测第二π网络32两端的正弦信号之间的第二相位差。当第一相位差和第二相位差中的一个为零时，此时信号发生器2输出的正弦信号的频率即为与两端相位差为零的π网络连接的石英晶体的谐振频率。同时，计算机1继续控制信号发生器2输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐增大，直到测试出第一石英晶体和第二石英晶体中的另一石英晶体的谐振频率。

在对石英晶体进行微调加工的过程中，可一边测量石英晶体的谐振频率，一边对石英晶体镀银。对石英晶体镀银会导致石英晶体的谐振频率会从高到低变化(对石英晶体镀银量越大，石英晶体的谐振频率会下降越多)，直到石英晶体的谐振频率达到设定的目标谐振频率。当石英晶体的谐振频率达到目标谐振频率时，即可停止微调。

具体地，计算机1控制信号发生器2输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐下降到石英晶体的目标谐振频率，然后对石英晶体逐步镀银，同时计算机1判断相应鉴相电路输出的相位差是否为零，当相位差为零时，停止对石英晶体镀银。例如，通过上述方式测试出石英晶体的当前谐振频率为10.1MHz，而目标谐振频率为10MHz，则计算机1控制信号发生器2输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐下降到10MHz，然后对石英晶体逐步镀银，同时计算机1判断相应鉴相电路输出的相位差是否为零，当相位差为零时，停止对石英晶体镀银，此时石英晶体具有10MHz的谐振频率。

根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统的两个通道可以同时测试两个石英晶体的谐振频率，并且可对石英晶体的谐振频率进行微调。石英晶体谐振频率微调控制系统使用同一信号源且同时输出两路信号，并且具有两路独立的鉴相电路以及两路独立的ADC。由于采用同一信号源输出频率信号，可保证两路晶体测试的一致性；两路独立的鉴相电路及两路独立的ADC可以提高两路信号的测量速度，以适应石英晶体在微调过程中的频率的快速测量要求。

因此，根据本发明的石英晶体谐振频率微调控制系统采用双通道鉴相、双通道数字模拟转换采样、双通道信号源输出，可提高石英晶体谐振频率的测试和微调速度。

虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims

1.一种石英晶体频率微调控制系统，包括：

计算机，发出控制信号；

信号发生器，根据计算机发出的控制信号产生具有预定频率的正弦信号；

第一π网络，连接到第一石英晶体的两端，并接收信号发生器产生的正弦信号；

第二π网络，连接到第二石英晶体的两端，并接收信号发生器产生的正弦信号；

第一鉴相电路，连接到第一π网络的两端，检测第一π网络两端的正弦信号之间的第一相位差；

第二鉴相电路，连接到第二π网络的两端，检测第二π网络两端的正弦信号之间的第二相位差；

第一模拟数字转换器，从第一鉴相电路接收第一相位差，将第一相位差转换为第一数字信号并将第一数字信号输入到计算机；

第二模拟数字转换器，从第二鉴相电路接收第二相位差，将第二相位差转换为第二数字信号并将第二数字信号输入到计算机。

2.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，所述石英晶体频率微调控制系统还包括：接口电路，连接在计算机和信号发生器之间，并且连接在计算机与第一模拟数字转换器和第二模拟数字转换器之间，

计算机通过接口电路将控制信号发送到信号发生器，第一模拟数字转换器通过接口电路将第一数字信号输入到计算机，第二模拟数字转换器通过接口电路将第二数字信号输入到计算机。

3.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，所述石英晶体频率微调控制系统还包括：

第一信号驱动器，连接在信号发生器和第一π网络之间，第一信号驱动器将信号发生器产生的正弦信号进行驱动放大，并且将放大后的正弦信号提供给第一π网络；

第二信号驱动器，连接在信号发生器和第二π网络之间，第二信号驱动器将信号发生器产生的正弦信号进行驱动放大，并且将放大后的正弦信号提供给第二π网络。

4.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，所述石英晶体频率微调控制系统还包括：

第一鉴相信号放大器，连接在第一鉴相电路和第一模拟数字转换器之间，第一鉴相信号放大器将第一鉴相电路检测的第一相位差进行放大，并且将放大后的第一相位差提供给第一模拟数字转换器；

第二鉴相信号放大器，连接在第二鉴相电路和第二模拟数字转换器之间，第二鉴相信号放大器将第二鉴相电路检测的第二相位差进行放大，并且将放大后的第二相位差提供给第二模拟数字转换器。

5.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，其中，信号发生器是直接数字频率合成器。

6.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，其中，在测试石英晶体的谐振频率时，计算机按照预定的频距控制信号发生器输出的正弦信号的频率从低到高变化，每变换一次频率，第一鉴相电路检测检测第一π网络两端的正弦信号之间的第一相位差，同时第二鉴相电路检测检测第二π网络两端的正弦信号之间的第二相位差，当第一相位差和第二相位差中的一个为零时，此时信号发生器输出的正弦信号的频率为与两端相位差为零的π网络连接的石英晶体的谐振频率。

7.根据权利要求6所述的石英晶体频率微调控制系统，其中，计算机继续控制信号发生器输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐增大，直到测试出第一石英晶体和第二石英晶体中的另一石英晶体的谐振频率。

8.根据权利要求6所述的石英晶体频率微调控制系统，其中，在对石英晶体的谐振频率进行微调时，计算机控制信号发生器输出的正弦信号的频率按照预定的频距逐渐下降到石英晶体的目标谐振频率，然后对石英晶体逐步镀银，同时计算机判断相应鉴相电路输出的相位差是否为零，当相位差为零时，停止对石英晶体镀银。

9.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，其中，第一π网络包括：第一电阻器，连接到信号发生器；第二电阻器，与第一电阻器并联；第三电阻器，连接在第一电阻器和第二电阻器之间；第四电阻器，与第二电阻器并联；第五电阻器，与第四电阻器并联，第五电阻器的两端连接到第一鉴相电路；第六电阻器，连接在第四电阻器和第五电阻器之间，

第一石英晶体连接在第二电阻器和第三电阻器之间的节点与第四电阻器和第六电阻器之间的节点之间。

10.根据权利要求1所述的石英晶体频率微调控制系统，其中，第二π网络包括：第七电阻器，连接到信号发生器；第八电阻器，与第七电阻器并联；第九电阻器，连接在第七电阻器和第八电阻器之间；第十电阻器，与第八电阻器并联；第十一电阻器，与第十电阻器并联，第十一电阻器的两端连接到第二鉴相电路；第十二电阻器，连接在第十电阻器和第十一电阻器之间，

第二石英晶体连接在第八电阻器和第九电阻器之间的节点与第十电阻器和第十二电阻器之间的节点之间。