测量音叉153kHz谐振器的幅频特性

 

▌01 音叉谐振器

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1.测量背景

在通常所使用用于振荡器的晶体，为了获得获得低频可以使用音叉谐振器。在 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛 中存在节能信标组。该组别使用到的信标可以同时发送红光、红外、无线导航信号。其中无线导航信号是利用的无线充电电磁信号。它的频率为150kHz。

为了能够对150kHz的无线导航信号进行有效放大，需要使用选频电路。是否这种音叉谐振器可以应用呢？因此需对于该谐振器的频率特性进行测量。

^{▲ 音叉谐振器}

根据 ST公司的OscillatorDesignGuideforSTM8AF、STM32 MCU 中，介绍了晶体谐振器的参数可以有以下图简单表示。其中

• C0 ： 并联电容，也称承载电容，或者电极对应的电容。
• Lm：运动等效电感；对应晶体质量。
• Rm：运动等效电阻；对应运动能量损失；
• Cm：运动等效电容，对应晶体的形变弹性

^{▲ 晶体谐振器的等效电枢}

晶体的阻抗为：

$$Z=\frac{j}{\omega }\cdot \frac{{\omega }^2{L}_m{C}_m-1}{\left(C_0+C_m\right)-{\omega }^2{L}_m{C}_m{C}_0}$$

^{▲ 晶体阻抗与频率之间的关系}

2.测量方法综述

在 How to Measure a Quarts Crystal 由 Brian Straup 给出了测试晶体谐振器方案。

电路参数：

输入阻抗12.5Ω
使用3dB衬垫来进行阻抗匹配
宽带4:1 铁氧体变压器： 4:1, #28WW, 14T : 2T

^{▲ DUT Schematic}

^{▲ DUT测量电路实际电路}

 

▌02 测量晶体初步方案

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1.测量方案

使用DG1062输出不同频率的正弦波，施加在晶体与电阻上，测量在电阻上的交流电压。

^{▲ 测试的原理图}

2.测试数据

（1）负载电阻R1=100kΩ

在负载电路等于100kΩ的情况下，测试所得到的输出电压与频率之间的关系。

^{▲ 不同频率输出电压}

（2）负载电阻R1=1kΩ

负载电阻R1=1kΩ的情况下，输出电压与不同频率之间的关系。

^{▲ 不同频率对应的输出电压}

前面的测试关系反映了直接测试无法反应该谐振器的特性。

3.测试结论

通过上面测试的结果曲线来看，是无法测量获取得到正确的音叉频率特性的。主要原因：

• 由于负载串接阻抗远远大于晶体等效的阻抗，所以整个晶体的Q值变得非常小，使得谐振特性消失。
• 需要根据How to Measure a Quarts Crystal给出的阻抗匹配方案，使得晶体的输入，输出对应的网络的阻抗在12.5Ω，这样可以获得更好的测量结果；
• 需要借助于DSA815 频谱仪帮助测量对应的频率关系。

 

▌03 阻抗匹配测量网络

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利用 粘贴铜箔简易实验电路制作 制作实验电路。

^{▲ 匹配网络电路示意图}

 

▌实验结论

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前面测试仍然没有获得合理的音叉谐振器的频率特性。

 

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■ 相关文献链接:

• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• ST公司的OscillatorDesignGuideforSTM8AF、STM32 MCU
• How to Measure a Quarts Crystal
• 音叉晶体振荡器-32.768Hz

转载：https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/116098772