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1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目： 连有负载电容的石英谐振 器测量方法比较 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 应用电子 作者所在班级： 08211 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 20083021111 指导教师姓名： 陈刚 完 成 时 间 ： 2011年5月25日 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院电子工程系毕业设计（论文）任务书姓 名：专 业：应用电子技术班 级：08211学号：20083021111指导教师：陈刚职 称：讲师完成时间：2011年5月25日毕业设计（论文）题目：连有负载电容的石英谐振器测量方法比较设计目标：利用PLC可编程序控制的理论知识，设计实
2、现电梯控制。技术要求：1I/O点数及其分配2电梯内部PLC编程3电梯运行的理想曲线4电梯上下行加速控制5电梯到达楼层后的停止6电梯的开，关门程序所需仪器设备：计算机一台、PLC可编程序控制器成果验收形式：原理图、程序参考文献：PLC可编程序控制、电梯控制技术、可编程序控制器及其应用、PLC编程实用指南、电气控制与可编程序控制器、电梯原理，使用与维护、FX系列PLC编程及应用、PLC应用技术问答时间安排15周-6周立题论证39周-13周仿真调试27周-8周方案设计414周-16周成果验收指导教师： 教研室主任： 系主任： 连有负载电容的石英谐振器测量方法比较摘要关键词：北华航天工业学院毕业论文序
3、言对石英谐振器测量通常要在石英谐振器上串接一个指定值的负载电容器。这有二种原因，一种是模拟石英谐振器在振荡器中的工作状态，另一种是作为确定石英谐振器动态参数的种方法，本文主要讨论前面一种情况。负载谐振频率和电阻的精确测定较串联谐振频率和电阻的测量更为困难。在负载电容器测量系统中，已知的分布电容对频率的影响而形成的误差是直观的，分布电容对电阻测量的影响也是难以捉摸的，在通用的晶体阻抗计中这种电阻误差是相当大的。在无源测量系统中，相位或电抗补偿技术能够用来克服这些困难，但是这种间接法不能应用在晶体阻抗计的测量方法中。在讨论测量方法之前先介绍一下石英晶体谐振器。第一章石英晶体谐振器石英是具有以下一系
4、列特性的唯一材料：1.压电特性（“压力电的特性”）2.具有零温度系数切型3.具有应力补偿切型4.低损耗（即高Q值）5.容易加工。在任何物质中的可溶性低，除了氟化物的腐蚀外，在“正常”条件下，坚硬而不易碎6.在自然界中很丰富，易于大量生长，成本低，纯度和完整性均较高。在人工生长的单晶石英中，年产量在3000顿以上，生长数量仅次于硅（到1997年为止，年增长是硅的3到4倍）。晶体谐振器就是指用石英材料做成的石英晶体谐振器,俗称晶振.起产生频率的作用,具有稳定,抗干扰性能良好的特点,广泛应用于各种电子产品中.1.1术语解释1、标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上；2、工作频率：晶
5、体与工作电路共同产生的频率；3、调整频差：在规定条件下，基准温度（252）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差；4、温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（252）时工作频率的允许偏差；5、老化率：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率；6、静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。7、负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。负载电容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就应选推荐值10PF、20PF、30PF、50PF、100PF
6、；8、负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个； 9、动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。用R1表示；10、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用RL表示。RLR1（1+C0/CL）211、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50W、20W、10W、1W、0.1W等12、基频：在振动模式最低阶次的振动频率。13、泛音：晶体振动的机械谐波。泛
7、音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。14、频率准确度：在规定条件下，晶振输出频率相对于标称频率的允许偏离值。常用其相对值表示。15、频率稳定度：ft=(fmax-fmin)/(fmax+fmin) ftrefMAX(fmax-fref)/fref，(fmin-fref)/frefft：频率温度稳定度(不带隐含基准度)。ftref：频率温度稳定度(带隐含基准温)。fmax ：规定温度范围内测得的最高频率。fmin：规定温度范围内测得的最低频率。fref：规定基准温度测得的频率。15.1时域表征在规定条件下，晶
8、振内部元件由于老化而引起的输出频率随时间的漂移。通常用某一时间间隔内的老化频差的相对值来量度（如日、月或年老化率等）。日稳定度（或称日波动）：指晶振输出频率在24小时内的变化情况。通常用其最大变化的相对值来表示。15.2频域表征单边相位噪声功率谱密度，晶振输出信号的频谱中，用偏离载频f Hz处每Hz带宽内单边相位噪声功率与信号功率之比的分贝（dB）量，可写作 （f）单位为dB/Hz。频谱纯度：是量度晶振内部噪声及杂散谱的尺度。通常用单边噪声功率谱密度来表示。输出波形：有正弦波和方波两种。输出幅度：在接入额定负载的规定条件下，晶振输出的均方根值电压。频率温度特性：当环境温度在规定范围内按预定方式
9、变化时，晶振的输出频率产生的相对变化特性压控线性度：指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度。16、压电效应压电效应表明了石英晶体的力学性质和电学的耦合。直接压电效应由居里兄弟在1880年发现的。他们指出，当把一重物放在一石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。1881年，用图解说明了反压电效应；当把电压加到晶体上时，由于压电效应引起的晶格应变而使晶体产生变形。当把电压反向时，应变也反向。因此，压电效应起到了电路与晶体机械特性之间的耦合作用。在适当条件下，“优质”压电谐振器能够对振荡器电路起稳频的作用。在32种晶体中，有20种具有压电效应（但在20种中，只有很少几
10、种有用）。压电晶体没有对称中心，当力使晶格形变时，晶体中正负电荷的重心可能被分开而产生表面电荷。图中所示为晶体压电效应的一个例子（根据Kelvin的定性模型）。每个硅原子用+号表示，每个氧原子用号表示。当受到应变而使晶体沿Y方向伸长时，负电荷就向左移动，而正电荷就向右（沿X轴）移动。当石英晶体有对称中心，即石英晶体时各向同性时，就不会产生压电效应。然而电致伸缩存在于所有的电介质固体中。在应用电场中的二次变形（尽管压电效应是线性的；随着电场的反转，变形也会反转）偏电致伸缩，弱电场的变化重叠于恒定分量，这个现象与线性压电等价；这个技术能被用于非压电石英晶体，例如硅，但耦合依赖于偏轴。压电效应应变沿
11、场方向xyz延伸方向xyz切变xyz在石英中，五种应变分量均由电场产生。下面所示模型可以由适当位置和形状的电极所激励。由场Y分量产生的相对与Z轴的切应变可应用与AT、BT和SC切的旋转Y切系列。压电效应是线性的。电场的反转引起应变的反转，例如机械变形。机电（也叫压电）耦合系数k是压电材料的一个重要特性；k的范围在0和1之间，并且是无量纲的，即对于AT切石英晶体k=8.8%，而SC切石英晶体k = 4.99%。这个系数能确定压电转换功效，并且是重要设备的决定性因素，比如滤波器带宽，介入损失，定位和谐振器临界频率的间隙（即连续谐振到振频率间隙）。17、数学描述在压电材料中，电流和电压与弹性位移和应
12、力的耦合 T = c S - e E D = e S + E 式中： T = 应力张量， c =弹性刚度矩阵，S =应变张量， e =压电矩阵 E = 电场矢量， D =电位移矢量， = 介电矩阵 对于线性压电材料 式中：石英的电弹性矩阵 除了各主斜线完全相易，其它各线连接数值方程。表示的负值表示数值方程的两倍表示1/2（C11C12） 独立的非零常数的数量取决于晶体的对称性。对于石英（三角晶系，32中晶类），有10个独立的线性常数：6个弹性常数，2个压电常数和2个介电常数。这些“常数”均与温度、应力、坐标系有关。为了描述谐振器的性能，必须在晶片表面相当的电和机械边界条件下连续求解牛顿运动定律
13、和麦克斯韦微分方程*;uxT ma Fijij&=;0xD0Dii=;iixE=; )ijji(xuxuS21ij=+等这些方程很“凌乱”，对实际上可以实现的三维谐振器，决不能以闭合形式求解。几乎所有的理论文章均采用近似值。某些最重要的谐振器现象（如加速度灵敏度）是由于非线性效应引起的。石英具有许多高阶常数，例如14个三阶弹性常数和23个四阶弹性常数，以及16个三阶压电系数；非线性方程很“凌乱”。*磁场效应一般可以忽略不计；石英是非磁性的，但磁场能够影响安装结构和电极。1.2应用指南根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。安装晶振时，应根据其引
14、脚功能标识与应用电路应连接，避免电源引线与输出引脚相接输出。在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度，连线合理布置，将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/SSMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。HC-49U/SSMD为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子
