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    今天足球赛程:晶振技术要求及其测量

    发布时间:2011-12-15   点击率:8822
    本文介绍一些表现晶振性能高低的技术指标的含义及检测方法,将有助于晶振研发、生产人员进一步熟悉晶振的相关特性,有助于采购晶振的厂家、技术人员了解晶振的特性,从而降低采购成本。

    国足比赛时间表2018 www.pgrg.net 本文介绍一些表现晶振性能高低的技术指标的含义及检测方法,将有助于晶振研发、生产人员进一步熟悉晶振的相关特性,有助于采购晶振的厂家、技术人员了解晶振的特性,从而降低采购成本。
    一、 晶振主要技术参数

    1、 频率准确度(出厂校准值) 检测
    2、 老化率,分日、年、10年…老化率 检测
    3、 温度稳定度 检测
    4、 频率短期稳定度,简称短稳,也称秒稳 检测
    5、 相位噪声 检测
    6、 压控特性,相对于机械调节范围也称电调范围(含电压范围、频率牵引范围、斜率、线性度等指标) 检测
    7、 手调频率范围,相对于电调范围也称机械调节范围 检测
    8、 开机特性 检测
    9、频率重现性 检测
    10、输出信号(含波形、相位抖动、占空比、上升沿、下降沿、负载能力、输出电压、输出阻抗等)检测
    11、电源特性(含工作电压、启动电流(功率)、工作电流(功率)、电压特性) 检测
    12、外形封装(含外形尺寸、封装形式、出脚定义)
    13、其他例行实验、可靠性指标


    二、晶振主要技术参数的检测
    1、试验设备
    频率标准:铷钟或石英频标(5MHz,精度优于1×10-10,频率稳定度优于3×10-12/s)。
    频率计数器:12位以上高分辨率频率计。
    环境试验设备:恒温范围-40℃~+100℃,均匀度优于±2℃,波动小于±0.5℃的高低温试验箱。
    示波器:100MHz;300MHz或500MHz。
    直流电源:电压稳定度优于5×10-4,纹波小于1mv。
    数字万用表:(4.5位,电压读数精确到0.001V)
    2、试验线路


    3、频率温度稳定度的检测(以-20℃~国足比赛时间表2018为例)
    a. 晶振经过三天以上预热老化后,方可进行温度试验,将晶振放入恒温箱内,预热两小时,压控电压端置空(晶振已内置压控基准电压)。
    b. 先将温箱温度调到-20℃,恒温在-20℃±0.5℃内30分钟,测出晶振频率fd。
    c. 再将温箱温度调到+25℃,恒温在+25℃±0.5℃内30分钟,测出晶振频率fs。
    d. 再将温箱温度调到+70℃,恒温在+70℃±0.5℃内30分钟,测出晶振频率fg。
    e. 利用下面两公式(1)和(2)计算频率温度稳定度:
    (fd – fS) / f0……………………………………… (1)
    (fg– fS) / f0 ………………………………………?。?)
    式中:fo为标称频率。
    4、手调频率范围的检测
    a. 通电老化两天,将压控电压调到压控基准电压VC0。
    b. 用专用螺丝刀按顺时针方向拧动可调螺芯,注意观测频率,频率升高(或下降)至不变时,记下频率为 f1,再反时针拧螺芯,频率下降(升高)至不变时,记下频率 f2。
    c. 利用下面两式(3)和(4)计算手调频率范围:
    ( f1 – fo) / fo……………………………………………(3)
    ( f2 – fo) / fo……………………………………………(4)
    5 频率牵引范围的检测
    a. 通电老化两天,将压控电压调到压控基准电压。
    b. 将晶振的输出频率调到接近标称频率,待频率稳定后记下频率f0’ 。
    c. 将压控电压调到下限值Vl,待频率稳定后记下频率 fl。
    d. 将压控电压调到上限值Vh,待频率稳定后记下频率 fh。
    e. 利用下面两式(5)和(6)计算频率牵引范围:
    ( fl - fo’) / fo’ …………………………………………?。?)
    ( fh - fo’) / fo’…………………………………………?。?)
    6 压控频率线性度的检测
    a. 测试压控频率线性度特性值时,按压控电压从低到高,每隔0.2V (或0.5V)测量一个频率将测试结果如图2绘制,则压控频率线性度δ可按公式(7)计算:
    δ=δF /ΔF×100% …………………………………(7)
    b. 若只判断某点压控电压的频率是否满足线性度指标要求时,可按公式(8)计算出某点压控
    电压满足线性度指标要求的上下限频率Fg和Fd ,将压控电压调到某点电压Vx上,测得频率Fx应在上下限频率Fg和Fd之间。 Fx= fo+KVx(1±δ/2 )…………………………………… (8)
    式中:
    fo—为压控基准电压测得频率;
    K —为理想的压控频率曲线斜率,设 fho 为压控电压上限值Vh时的理想频率, flo为压控电压下限值Vl时的理想频率,则K可按公式(9)计算:
    K=( fho– flo)/(Vh - Vl) ………………………………… (9)
    Vx—为某点压控电压(含+、- );
    δ—为线性度指标。


    图2
    图2 中A为理想的压控频率曲线,B和C 为偏离A的极限曲线(平行于A线),D为实际的压控频率曲线。
    7 输出信号为方波的检测
    a. 占空比测试
    按图1连接,用示波器检测晶振的一个振荡周期,将波形上下半周期所占的时间分别与整个周期的时间的比值,则分别为上、下半周期的占空比,波形如图3所示,占空比按公式(10)计算:
    DC= t /T×100% …………………………………………… (10)
    b. 上升沿、下降沿的测试
    用示波器检测晶振的一个振荡周期,波形如图3所示,记录上升沿Tr 和下降沿T f 所需的时间即为上升沿、下降沿的特性值。


    图3
    c. 抖动的测试
    用不低于500MHz的示波器对晶振进行每次2μS的随机取样,取样10次(非连续),测量和计算出每个周期的时长(精确至0.001nS),然后取其最大值与最小值之差即为抖动值。
    d. 高电平“1” ,低电平“0”的测试
    将示波器‘AC/DC’选择开关置‘DC’, 波形如图3所示,测得低电平“0”的电压值应低于+0.5V (或规定值) ,测得高电平“1”的电 压值应高于+2.4V (或规定值)。
    e. 负载能力的检测
    按图1连接,图1中的负载参照图4设置,测试探头接示波器,示波器测得波形为方波,负载变化波形应无明显变化,测试探头接频率计,频率计读数应稳定不乱 (达到 1×10-7),而且改变压控电压,频率计读数随压控电压 的变化而均匀变化,压控电压不变时频率也相对稳定,尤其是压控牵引频率的高端不应有跳频、乱频现象。


    图4

    注:图4中TTL适用于54/74系列的标准TTL和高速TTL电路,CL为15pF(应包含探头和夹具电容),R1和R2值取决于负载要求,并按公式(11)或(12)计算;图4中CMOS适用于CMOS和HCMOS电路,CL为20pF(应包含探头和夹具电容), R2为100KΩ。
    ……………………………………… (11)?
    ………………………………………… (12)
    式中:
    VoL——晶振输出的低电平电压(0.4V)
    VD ——二极管两端的压降(0.65V)
    VoH——晶振输出的高电平电压(2.4V)
    n ——逻辑门的数量
    IIL —— 每个门的低电平输入电流(-1.6mA)
    IIH ——每个门的高电平输入电流(40μA)
    f. 输出信号为正弦波的检测
    按图1连接,图1中的负载应为精密电阻器(±1%的无感电阻),其阻值为标准负载50Ω(或产品规定的负载),示波器的测试探头跨接在负载上测量,测得波形应为正弦波。
    g. 输出电压的检测
    示波器读出的电压值为峰—峰值Vpp,则晶振的输出电压Vr按公式(13)计算:
    ……………………………………… (13)
    h. 输出阻抗
    将图1中的负载阻值设为RL,其阻值为规定负载减10% , 晶振加电并待频率稳定后测量输出电压VL; 然后将负载阻值改为规定负载加10%,设为RH,并测量输出电压 VH;则晶振的输出阻抗Z按公式(14)计算: 

    …………………………………(14)
    8 电源特性的检测
    a. 启动电流
    将完全冷却的晶振按图1连接,并在电源和晶振之间串接数字万用表,将万用表转换开关置于合适的电流档,测试探头接频率计,开启电源开关,立刻读取万用表的电流值即为启动电流的特性值。
    b. 恒温电流(或稳态功耗)
    当频率计读数趋于稳定时(达到 1×10-7),工作电流也稳定不变,此时电流表的电流值即为恒温电流的特性值,若技术要求规定稳态功耗,即按公式 P=IV 换算。
    c. 电压频率特性
    将电源电压调准在标准值V o上,压控电压调到压控基准电压V co上,晶振经一段时间预热,频率趋于稳定时,记下频率为FO ,再将电源电压调准在技术要求规定的正偏电压V+ 上,经一段时间,频率趋于稳定时,记下频率为F+ ,再将电源电压调准在技术要求规定的负偏电压V-上,经一段时间,频率趋于稳定时,频率记为F-。(注意: 0.01 Hz位至少连续3次不变视为频率稳定)
    电压频率特性值可按(15)和(16)式计算。
    VF+ =( F+ -FO )/ FO ……………………………………(15)
    VF- =( F- - FO ) / FO……………………………………(16)
    9 日老化率的检测
    a. 晶振经过不少于3天连续通电运行后,方可进入日老化率检测,取样时间10s,每秒采样一次,共10个数取平均值作为当期测量频率值,周期1h,1天24个周期即24个频率值,连续测量7天,共168个频率数据。
    b. 利用最小二乘法计算日老化率,基本公式如(17)式所示:
    ……………………………………………(17)
    式中:
    n —每日测量的次数;
    N —取样个数;
    fi—ti时刻测量的晶振输出频率值;
    ti—取样时序,用自然数列表示;

    10 频率短期稳定度的检测
    a. 测试方法:
    Ⅰ:短稳指标≤1×10-10/s 的测量。
    检测时,要求周围环境无信号、无电源噪声干扰,用12位以上高分辨率频率计直读频率。
    Ⅱ:短稳指标>1×10-10/s 的测量。
    当短稳指标高于1×10-10/s 时,为提高测量精度,必须使用频率相差±1KHz的高短稳(比待测晶振高一个数量级)频标进行互比测量,测试电路如图5所示。


    测试方法A、B均采用高分辨率频率计读取频率,闸门取样1s时,全部连续取样,取样组数为100;闸门取样10s时,全部连续取样,取样组数50。然后按公式(18)计算频率短期稳定度。
    b. 利用阿伦方差计算时域频率短期稳定度,基本公式如(18)式所示:
    ………………………………(18)
    式中:
    fi+1— 为第i+1次测量的频率值;
    fi— 为第i次测量的频率值;
    m — 取样组数 ,全部连续取样,取样个数为m+1。
    11 频域频率短期稳定度的检定
    频域频率短期稳定度是用各种譜密度来描述的,通常采用输出频率的相位起伏譜密度或单边带相位噪声来表征;用正交鉴相法检定。检定方法应按JJG181—89的“频域频率稳定度的检定”的规定进行。
    时域频率短期稳定度及频域频率短期稳定度的检定可选检一种,批量产品只检定时域频率短期稳定度,对有相位噪声要求的产品,样品必须进行经频域频率短期稳定度的检定合格才可批量生产。
    12 开机特性的检测
    a. 开机30分钟(或按用户要求)频率偏差的检测
    将完全冷却的晶振按图1连接,测试探头接频率计,开启电源开关,到30分钟时,立刻读取频率计的频率,记为fi,开机30分钟的频率偏差按公式(19)计算:
    (fi – fo) / fo …………………………………………?。?9)
    b. 开机1小时后的开机特性值的检测
    晶振通电预热一小时后开始测量,频率计取样时间10S,1小时测量1次,连续测7小时,共8个数据。按公式(20)计算出开机1h后4h内频率的最大变化和开机4h后4h内频率的最大变化,取较大值为开机特性值。
    V = (fmax – fmin) / fo ……………………………………(20)
    式中:
    fmax —测量的频率最大值
    fmin—测量的频率最小值
    13 频率重现性的检测
    a. 将晶振连续通电8小时后测得频率记为fr1,?;?4小时,再开机8小时后进行检测,测得频率记为fr2。
    b. 利用公式(21)计算频率重现性:
    R = (fr2 – fr1) / fo …………………………………… (21)
    14 频率准确度的校准
    a. 频率准确度的校准在出厂前进行,校准时应参照日老化率的测试结果,日老化率为正值,校准时取负偏差,日老化率为负值,校准时取正偏差,校准后应继续运行1小时以上再检测,测得频率记为fx。
    b. 频率准确度按公式(22)计算:
    A = (fx – fo) / fo …………………………………………(22)
    式中:
    fx—为校准后检测的实际频率值。


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