▌01 音叉谐振器

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=jω⋅ω2LmCm−1(C0+Cm)−ω2LmCmC0Z = {j \over \omega } \cdot {{\omega ^2 L_m C_m - 1} \over {\left( {C_0 + C_m } \right) - \omega ^2 L_m C_m C_0 }}Z=ωj⋅(C0+Cm)−ω2LmCmC0ω2LmCm−1

^{▲ 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

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

1.测量电路制作

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}

2.互感制作

（1）成品电感

在测量电路中存在两个1:2的互感器，进行阻抗变化。下面两个是在原来应用在 无线节能信标调试说明-2021-3-3 的LCC的串联电感。它的电感量为：4.56μH4.56\mu H4.56μH。在f0=150kHzf_0 = 150kHzf0=150kHz下，对应的感抗为：XL=2πf0L=4.3ΩX_L = 2\pi f_0 L = 4.3\OmegaXL=2πf0L=4.3Ω。相对于信号源的内阻50Ω，它太低了。

^{▲ 应用于无线充电中的电感}

下面是两个用于电流滤波的扼流圈，它们的电感分别是：

扼流圈的电感：

扼流圈1：L1=129.8μHL_1 = 129.8\mu HL1=129.8μH
扼流圈2：L2=51.89μHL_2 = 51.89\mu HL2=51.89μH

扼流圈在f0=150kHzf_0 = 150kHzf0=150kHz感抗：

扼流圈1：X1=122.3ΩX_1 = 122.3\OmegaX1=122.3Ω
扼流圈2：X1=48.9ΩX_1 = 48.9\OmegaX1=48.9Ω

^{▲ 扼流圈电感}

（2）绕制电感

使用下面铁氧体工字型磁芯绕制互感器。

下面是通过60匝绕制，对应的电感大约是200uH。使用60匝作为副边，再绕制120匝作为原边。

^{▲ 用于绕制电感的工字型骨架}

互感器的参数：

原边电感参数：L1=589uH；R1s=1.27Ω
副边参数：L2=200uH，R2s=0.54Ω

互感器的参数：

原边电感参数：L1=641uH；R1s=1.17Ω
副边参数：L2=204uH，R2s=0.67Ω

3.实验电路

下面是制作的测试电路。使用DSA815进行扫描。

【Ⅰ.实验电路】

^{▲ 测试电路板}

【Ⅱ.扫描结果】

^{▲ 扫频的结果}

4.测量其它一些器件

（1）测量465kHz滤波器

^{▲ 测量的电路}

^{▲ 465kHz的幅频特性}

（2）450kHz谐振器

^{▲ 450kHz谐振器的幅频特性}

3不加耦合变压器

^{▲ 对于465kHz，不加输出变压器}

^{▲ 对于465kHz,不加变压器}

由于输出功率为-20dBm，因此，通过上面不加变压器测试过程中，在谐振频率处，谐振器的插入损耗为10dB。

▌实验结论

前面测试仍然没有获得合理的音叉谐振器的频率特性。

即使增加了阻抗变换的阻抗变压器，仍然没有获得关于音叉谐振器的幅频特性。

对于普通AM收音机的中频滤波器（465kHz， 450kHz）进行测量测试。它具有-10dB的插入损耗。

^{▲ 陶瓷谐振器的内部结构}

■ 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

▓ 读取DSA815的程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-04-25
#
# Note:
#============================================================from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *dsa815open()y = dsa815read()
x = linspace(430, 475, len(y))plt.plot(x, y)
plt.xlabel("Frequency(kHz)")
plt.ylabel("Spectrum")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

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