CN111257633A - 一种晶体振荡器的标称频率的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种晶体振荡器标称频率的测试系统及测试方法，本发明中，在晶体振荡器的两端分别串联一负载电路、微处理器及方波控制器，利用预先在微处理器中输入的测试程序，自动逐步调节负载电路中的阻容值，并结合方波控制器中所显示的方波，微处理自动获取晶体振荡器起振时的负载电路的阻容值、谐振频率，最大振荡时的负载电路的阻容值等，从而利用微处理器自动计算获得晶体振荡器的标称频率以及获得标称频率时负载阻抗的情况。

Description

一种晶体振荡器的标称频率的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及晶体振荡器测试的技术领域，尤其涉及一种晶体振荡器的标称频率的测试系统及测试方法。

背景技术

晶体振荡器(晶振)是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于电视、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。标称频率是晶体振荡器的主要参数之一，其为在规定的负载电容下晶振的振荡频率。晶振出厂后，其标称频率常标识在晶振的外壳上。但是，晶振的实际标称频率与出厂标识的标称频率之间存在偏差，导致利用该标识的标称频率作为指导时，会使得晶振外部的等效阻抗值无法与晶振内部固有阻抗值相匹配，例如负阻过小、相位偏移、激励不当等，将会发生上电复位后晶振不工作，电源时钟信号无法收集信号，在过驱动的情况下很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。这些均会直接或间接地影响设计功能的实现，增大输出频率的变化，增加不稳定性，甚至造成振荡器停振。最终导致无法如期产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行均无法实行。从而，在晶振的实际应用中，需要首先测量其准确的标称频率。

现有的晶振的标称频率的测试方法主要有：1)通过敲击晶体、查询数据手册、观察示波器输出的波形以及晶振两端口的阻值，来确定晶振是否可用，但该方法无法获得准确的晶振的标称频率；2)以无源晶振体的固有频率作为发射源，用探头靠近却不接触晶体，使用频谱分析仪分析其频率参数，然而此方法仍旧是手动且迟缓的，需要一步步推论并根据测量结果进行调整，其最终结论中含有较大程度的误差和偏移；3)在晶振频率超过1GHz的情况下，常用锁相环(PLL)将低频进行倍频处理，直至达到要求值后输出时钟信号，该方法适用于高频率高精度的需求，前提是确定大致的频率范围后可用于微调频率和输出波形，并相应影响时钟的波形幅度。然而在相位性能以及成本控制等方面均表现平平。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种晶体振荡器标称频率的测试系统及测试方法，本发明中，在晶体振荡器的两端分别串联一负载电路、微处理器及方波控制器，利用预先在微处理器中输入的测试程序，自动逐步调节负载电路中的阻容值，并结合方波控制器中所显示的方波，微处理自动获取晶体振荡器起振时的负载电路的阻容值、谐振频率，最大振荡时的负载电路的阻容值等，从而利用微处理器自动计算获得晶体振荡器的标称频率以及获得标称频率时负载阻抗的情况。

具体地，本发明的一方面在于，提供一种晶体振荡器标称频率的测试系统，包括：待测电路，所述待测电路中包括待测晶体，及与所述待测晶体串联的微处理器；方波控制器，与所述待测晶体连接，用于显示晶体振荡时产生的方波；负载电路，与所述待测晶体连接。

其中，所述负载电路包括：电源，双通道阻容控制板，第一负反馈放大器和第二负反馈放大器。其中，所述第一负反馈放大器的两个输入端连接所述电源的正极，输出端与所述第二负反馈放大器的一输入端连接，所述第一负反馈放大器接地；所述双通道阻容控制板与所述第一负反馈放大器并联，与所述第二负反馈放大器的另一输入端连接；所述第二负反馈放大器的输出端接入所述双通道阻容控制板，所述第二负反馈放大器连接所述电源的负极。

优选地，上述测试系统中还可以，所述第一负反馈放大器的一输入端接入电阻Re；所述第一负反馈放大器和所述负反馈放大器之间接入电阻Rce，所述Rce的阻值大于所述双通道阻容控制板的最大阻值。

优选地，上述测试系统中还可以，所述第一负反馈放大器的两个输入端之间接入滑动变阻器。

优选地，上述测试系统中还可以，所述第一负反馈放大器连接电阻R1后接地，所述第二负反馈放大器连接电阻R2后连接至电源的负极。

本发明的另一方面，在于提供一种晶体振荡器标称频率的测试方法，其基于如上所述的测试系统测试待测晶体的标称频率，包括以下步骤：

在微处理器中输入双通道阻容控制板的阻容的二维矩阵，以及测试程序；在方波控制器中输入所述待测晶体的标准方波作为对比项；在微处理器中设置所述双通道阻容控制板的初始阻容值，使负载电路的电容值和电阻值等效于待测晶体两侧的电容值和电阻值；启动所述测试程序，以第一增幅，增大所述双通道阻容控制板的阻容值，同时检测方波控制器中的方波；当方波控制器开始输出方波时，以第二增幅，增大所述双通道阻容控制板的阻容值；当方波控制器中输出的方波与所述标准方波相同时，所述微处理器捕获此时所述双通道阻容控制板的电阻值Rz及电容值Cz，计算获得标称频率F_N及负载阻抗Z_L。

优选地，上述测试方法中，还可以，所述第一负反馈放大器的两个输入端之间接入滑动变阻器Vr，从而，所述微处理器调节所述双通道阻容控制板的阻容值，和/或调节所述滑动变阻器的阻值，使所述方波控制器输出的方波为待测晶体起振时的方波，所述微处理器捕获此时所述双通道阻容控制板的电阻值Rz1、电容值Cz1、所述滑动变阻器的阻值变量Vr1，计算获得谐振频率F_N1。

优选地，上述测试方法中，还可以，当方波控制器输出待测晶体起振时的方波后，所述微处理器调节所述双通道阻容控制板的阻容值，和/或调节所述滑动变阻器的阻值，使所述方波控制器中输出的方波与所述标准方波相同，所述微处理器捕获此时所述双通道阻容控制板的电阻值Rz2、电容值Cz2及所述滑动变阻器的阻值变量Vr2，计算获得标称频率F_N2及负载阻抗Z_L2。

优选地，上述测试方法中，还可以，所述第一负反馈放大器的一输入端接入电阻Re，所述第一负反馈放大器和所述负反馈放大器之间接入电阻Rce。

优选地，上述测试方法中，还可以，所述第一负反馈放大器连接电阻R1后接地，所述第二负反馈放大器连接电阻R2后连接电源的负极。

优选地，上述测试方法中，F_N的计算公式为：

其中，L0为待测晶体的电感值；C0为待测晶体不发生振荡时的电容值；C为待测电路中的其他电器件的电容值；负载阻抗Z_L的计算公式为：jωZL＝jω(Rz)+jω(1/Cz)。

与现有技术相比较，本发明的优势在于：

1)可以直接对已经接入电路中的晶体的标称频率进行测试，测试便捷；

2)通过预先输入微处理器中的测试程序，自动调整负载电路的电阻和电容情况，并计算获得待测晶体的标称频率等，实现全自动的测试流程，测试结果更加准确。

附图说明

图1为一符合本发明的优选实施例的有源振荡器标称频率的测试系统的结构示意图；

图2为一符合本发明的优选实施例的有源振荡器标称频率的测试方法的流程示意图。

附图标记：

1-待测电路，

2-方波控制器，

3-负载电路，

4-显示器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，详细阐述本发明的优势。

参阅图1，其为一符合本发明的优选实施例的有源振荡器标称频率的测试系统的结构示意图。从图中可以看出，本实施例中所提供的测试系统主要包括：待测电路1、连接于待测电路1中的方波控制器2和负载电路3。

其中，待测电路1中包括待测晶体Q，及与所述待测晶体Q串联的微处理器(MCU)；

负载电路3包括电源Vin，双通道阻容控制板Z，第一负反馈放大器U1和第二负反馈放大器U2。其中，从图1中可以看出，在本实施例的负载电路中，第一负反馈放大器U1的两个输入端连接到电源的正极；双通道阻容控制板Z则与该第一负反馈放大器U1并联；第二负反馈放大器U2的一个输入端与双通道阻容控制板Z连接，另一个输入端与第一负反馈放大器U1的输出端连接，第二负反馈放大器U2的输出端连接到双通道阻容控制板Z；同时，第一负反馈放大器U1接地，第二负反馈放大器U2与电源Vin的负极连接。从而，形成一完整的负载电路3，可以通过两级负反馈操作，控制负载电路3中的电压、电流在可使用的范围内，实现负载电路3中的电阻和电容值能够等效于待测晶体Q两侧的电阻和电容值，进而，可以通过进一步调整负载电路3中的电容值和电阻值，使得待测晶体发生振荡，得以测出待测晶体Q的标称频率，以及实现标称频率时，等效电路的电阻值及电容值，为搭建待测晶体的实际应用电路提供参考。

参见图2，其为一符合本发明的优选实施例的有源振荡器标称频率的测试方法的流程示意图。从图中可以看出，利用本实施例所提供的测试系统，能够实现自动检测待测电路中的待测晶体的标称频率，以及实现标称频率时，待测晶体的等效负载阻抗。其具体检测流程如下：

S1：预先在MCU中输入双通道阻容控制板Z的阻容的二维矩阵，以及测试程序；同时，根据待测晶体出厂时的数据手册等的指导，在方波控制器中输入待测晶体的标准方波作为对比项；

S2：在MCU中设置双通道阻容控制板Z的初始阻容值Z₀，使负载电路3的电容值和电阻值等效于待测晶体Q两侧的电容值和电阻值；

S3：启动存储于MCU中的测试程序，则，MCU自动按照一第一增幅，逐步增大双通道阻容控制板Z的阻容值，如，每隔5s，使双通道阻容控制板Z的电阻值增加5Ω，电容值增加5F等。应当理解的是，上述数据仅是作为说明本实施例流程使用，并不能限制该数据必须能够适用于实际情况，实际应用中，应当考虑待测晶体的可能的标称频率、等效电容、等效电阻、双通道电容板电容和电阻值等参数的范围，调整该第一增幅的实际数值；在调节双通道阻容控制板Z的阻容值的同时，本实施例中，MCU每调节一次，均检测方波控制器中的方波显示情况；

S4：当方波控制器开始输出方波时，MCU自动按照一第二增幅，逐步增大双通道阻容控制板Z的阻容值，如，每隔5s，使双通道阻容控制板Z的电阻值增加2Ω，电容值增加2F等。同样，应当理解的是，上述数据仅是作为说明本实施例流程使用，并不能限制该数据必须能够适用于实际情况，实际应用中，应当考虑待测晶体的可能的标称频率、等效电容、等效电阻、双通道电容板电容和电阻值等参数的范围，调整该第二增幅的实际数值，该第二增幅也可以等于第一增幅；同时，该步骤中，MCU也每调节一次，均检测方波控制器中的方波显示情况；

S5：当MCU检测到方波控制器中输出的方波与所述标准方波相同时，MCU捕获此时双通道阻容控制板Z的电阻值Rz及电容值Cz，计算获得标称频率F_N及负载阻抗Z_L。

其中，F_N的计算公式为：

其中，L0为待测晶体的电感值，可以在待测晶体的出厂的数据手册中查得；C0为待测晶体不发生振荡时的电容值，也可以在出厂的数据手册中查得；而，C则为待测电路中的其他电器件等的电容值，也可以在这些电器件的说明书等中获得。这些数值可以预先输入到MCU的测试程序中，则MCU可以在获得双通道阻容控制板Z的电阻值Rz及电容值Cz后，直接计算获得待测晶体的标称频率F_N。同时，本实施例中，还可以根据双通道阻容控制板Z的电阻值Rz及电容值Cz，通过公式jωZ_L＝jω(Rz)+jω(1/Cz)，计算获得实现标称频率时，负载电路的电阻值及电容值，为搭建待测晶体的实际应用电路提供参考。

另外，应当理解的是，上述计算公式，仅是根据本实施例的模拟情况给出的简化情况，如图1中所示的情况，当实际待测电路中存在两个并联电容式，标称频率F_N的计算公式可以变化为：

其中，C01和C02分别待测电路中的两个并联电容的电容值。

继续参阅图1，基于上述实施例的，符合本发明的另一实施例中，可以在第一负反馈放大器U1的一输入端接入电阻Re；在第一负反馈放大器U1和负反馈放大器U2之间接入电阻Rce，同时使得Rce的阻值大于双通道阻容控制板S的最大阻值。从而，基于上述设置，可以调节输入到两个负反馈放大器和双通道阻容控制板的正极电压，避免电路发生短路等现象，同时可以进一步保证负反馈放大器可以正常的工作。

继续参阅图1，基于上述实施例的，符合本发明的另一实施例中，可以在第一负反馈放大器的两个输入端之间接入滑动变阻器Vr，则可以通过滑动变阻器进一步调节双通道阻容控制板的电阻值所不能覆盖的电阻情况，实现微调的效果。

从而，在含有滑动变阻器Vr的负载电路3中，MCU不但可以调节双通道阻容控制板的阻容值来调节负载电路3中的电阻值和电容值，使方波控制器输出的方波为待测晶体起振时的方波，也即待测晶体起振；MCU还可以自动调节滑动变阻器Vr的阻值，使待测晶体起振；MCU也可以在调节双通道阻容控制板的同时，也调节滑动变阻器Vr的电阻值，使待测晶体起振，该情况适用于双通道阻容控制板的阻容值的二维矩阵中的数值间隔过大，无法巧合实现待测晶体的起振，则此时，可以利用一滑动变阻器Vr进行微调，使方波控制器输出的方波为待测晶体起振时的方波，则此时，微处理器捕获此时双通道阻容控制板的电阻值Rz1、电容值Cz1、滑动变阻器的阻值变量Vr1，计算获得谐振频率F_N1。

同样的，滑动变阻器Vr也可被应用到从方波控制器可以显示方波，到显示的方波为标准方波的负载电路中的电阻的调控中。也即，当方波控制器输出待测晶体起振时的方波后，微处理器调节双通道阻容控制板的阻容值，和/或调节滑动变阻器的阻值，使方波控制器中输出的方波与标准方波相同，微处理器捕获此时双通道阻容控制板的电阻值Rz2、电容值Cz2及滑动变阻器的阻值变量Vr2，计算获得标称频率F_N2及负载阻抗Z_L2。则，此时负载阻抗Z_L2的计算公式变为：jωZ_L＝jω(Rz+Vr)+jω(1/Cz)。

基于上述实施例的，符合本发明的另一实施例中，滑动变阻器与电阻Re可以同时应该用于负载电路中，分别连接于第一负反馈放大器的两个输入端中，此时，滑动变阻器的最大阻值小于电阻Re的阻值，从而，可以保证第一负反馈放大器具有始终一致的正极和负极。

继续参阅图1，基于上述实施例的，符合本发明的另一实施例中，第一负反馈放大器U1连接电阻R1后接地，第二负反馈放大器U2连接电阻R2后连接电源的负极。从而，可以利用电阻R1、R2实现避免电路发生过流的问题，进一步保证电路的安全性。

另外，继续参阅图1，基于上述实施例的，符合本发明的另一实施例中，微处理器可以通过I/O接口连接一显示器4，从而，可以显示微处理器正在处理的程序、数据，以及微处理器捕获的数据等。同时，可以借助显示器，向微处理器中输入测试程序、数据等。使微处理器的处理过程可视化。另外，也可以将微处理器与一键盘连接，从而，测试人员可以借助键盘，对微处理器中处理的数据、测试程序等进行修改和调整，如调节双通道阻容控制板的阻容值、滑动变阻器的阻值等。另外，根据实际应用情况，如图1所示，微处理器与待测晶体直接可以接入保护电阻R0，保护电路不会处于过电流等情况中，进一步保证电路的安全。

综上所述，基于本发明的晶体振荡器标称频率的测试系统和方法，可以直接对已经接入电路中的晶体的标称频率进行测试，测试便捷；且，可以通过预先输入微处理器中的测试程序，自动调整负载电路的电阻和电容情况，并计算获得待测晶体的标称频率等，实现全自动的测试流程，测试结果更加准确。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种晶体振荡器标称频率的测试系统，包括，

待测电路，所述待测电路中包括待测晶体，及与所述待测晶体串联的微处理器，方波控制器，与所述待测晶体连接，用于显示晶体振荡时产生的方波，

负载电路，与所述待测晶体连接，其特征在于，

所述负载电路包括

电源，双通道阻容控制板，第一负反馈放大器和第二负反馈放大器，其中，所述第一负反馈放大器的两个输入端连接所述电源的正极，输出端与所述第二负反馈放大器的一输入端连接，所述第一负反馈放大器接地，

所述双通道阻容控制板与所述第一负反馈放大器并联，与所述第二负反馈放大器的另一输入端连接，

所述第二负反馈放大器的输出端接入所述双通道阻容控制板，所述第二负反馈放大器连接所述电源的负极。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，

所述第一负反馈放大器的一输入端接入电阻Re，

所述第一负反馈放大器和所述负反馈放大器之间接入电阻Rce，所述Rce的阻值大于所述双通道阻容控制板的最大阻值。

3.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，

所述第一负反馈放大器的两个输入端之间接入滑动变阻器。

4.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，

所述第一负反馈放大器连接电阻R1后接地，

所述第二负反馈放大器连接电阻R2后连接至电源的负极。

5.一种晶体振荡器标称频率的测试方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的测试系统测试待测晶体的标称频率，包括以下步骤，

在微处理器中输入双通道阻容控制板的阻容的二维矩阵，以及测试程序；

在方波控制器中输入所述待测晶体的标准方波作为对比项；

在微处理器中设置所述双通道阻容控制板的初始阻容值，使负载电路的电容值和电阻值等效于待测晶体两侧的电容值和电阻值；

启动所述测试程序，以第一增幅，增大所述双通道阻容控制板的阻容值，同时检测方波控制器中的方波；

当方波控制器开始输出方波时，以第二增幅，增大所述双通道阻容控制板的阻容值，当方波控制器中输出的方波与所述标准方波相同时，所述微处理器捕获此时所述双通道阻容控制板的电阻值Rz及电容值Cz，计算获得标称频率F_N及负载阻抗Z_L。

6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，

所述第一负反馈放大器的两个输入端之间接入滑动变阻器Vr，

所述微处理器调节所述双通道阻容控制板的阻容值，和/或调节所述滑动变阻器的阻值，使所述方波控制器输出的方波为待测晶体起振时的方波，所述微处理器捕获此时所述双通道阻容控制板的电阻值Rz1、电容值Cz1、所述滑动变阻器的阻值变量Vr1，计算获得谐振频率F_N1。

7.如权利要求6所述的测试方法，其特征在于，

当方波控制器输出待测晶体起振时的方波后，

所述微处理器调节所述双通道阻容控制板的阻容值，和/或调节所述滑动变阻器的阻值，使所述方波控制器中输出的方波与所述标准方波相同，所述微处理器捕获此时所述双通道阻容控制板的电阻值Rz2、电容值Cz2及所述滑动变阻器的阻值变量Vr2，计算获得标称频率F_N2及负载阻抗Z_L2。

8.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于，

所述第一负反馈放大器的一输入端接入电阻Re，

所述第一负反馈放大器和所述负反馈放大器之间接入电阻Rce。

9.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于，

所述第一负反馈放大器连接电阻R1后接地，

所述第二负反馈放大器连接电阻R2后连接电源的负极。

10.如权利要求5所述的测试系统，其特征在于，

F_N的计算公式为：

其中，L0为待测晶体的电感值；C0为待测晶体不发生振荡时的电容值；C为待测电路中的其他电器件的电容值；

负载阻抗Z_L的计算公式为：

jωZL＝jω(Rz)+jω(1/Cz)。

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