【去库存】无源晶体测试器及晶体测试

longshort

　　这段时间正在兴趣满满地实施二次变频计划，一切进展顺利，但就在调试到最后环节——晶体振荡器时，突然发现自己的认知不够了——在电容三点式的模式下，振荡怎么也建立不起来，无论换电容器还是换晶体还是调整工作电流，这可是个大问题！

　　教科书中的例子，基本都是通用情况下的设置，晶体本身的数据也是标称的，并不考虑到生产实际中的参数偏移。一旦参数偏移，同样的电路就很可能出现不一样的情况，而且多数是停振。因而即使计算出了可用的参数，在实际操作中也很可能失败。

　　电容三点式中的电容器所用值的分配，涉及到晶体的激励功率、谐振时的阻抗、负载电容的变化、以及有源器件能被起振的具体条件，几乎每一个都是未知数。这造成了在一个特定电路下的晶体，有的能用有的不能用，甚至在某些频率和型号下完全不能使用。

　　于是，立刻用洞洞板做了一个和二次变频计划中同样的振荡器作为简单的测试器，如下图：

       

03_简易的晶振测试板

        图１ 洞洞板晶振测试器


　　结果很惊讶，手中的晶体有的能用，有的根本没反应。特别是封装型号为49S的6MHz晶体，20个晶体中只有两个能起振，其余全部悄无声息！至于8MHz和其他JA5型所有晶体，可以说是全军覆没了。是电容比例不对？元件质量有问题？？还是买到了冒牌货？？？

　　短暂的错谔后，立马立了个项，制造一个晶体的测试和电容配组实验装置，看看究竟是什么情况！

　　石英晶体可等效为一个大电感，所以振荡器的组成以电容三点式为最适合，如下图：

       

22_电容三点式电原理图

        图２ 电容三点式电原理图


　　图中的C2和C3，是电容三点式振荡器用来产生激励的重要元件。C2和C3的比例，在教科书中往往是通过晶体的有关参数来计算的，对于实际产品则难以直接套用。在即将制造的实验装置中，C2和C3的比例应是可调的，所以应该有一组可以相加减的值作为调整手段。

　　图中的C1是与晶体串联的电容器，通常是可调的，通过和C2与C3的串联获得负载电容的正确值。对于市售负载电容在20pF上下的晶体产品，这个电容器一般可以使用4/27pF的可调电容器，通过调节容量使晶体工作在正确的负载电容上和标称频率下。由于C2和C3的串联值未定，因而C1的可调范围很可能不够，需要再加上可作并联选择的电容器，以满足有可能的更大变化范围。


（待续）

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　　实际制造的晶体测试器如下图：

       

30_二版成品

        图３ 实际制造的晶体测试器


　　电路原理图：

       

2019037-Xtal-Tester-02

        图４ 电路原理图


　　电路说明：

　　电路总体上以图２的电容三点式原理图为核心扩展而成。C1由一个4/27pF微调电容器和三个可选择的电容器组成，外加一个外部电容器插座；三个可选的电容器为10pF、20pF、40pF，最大容量为70pF+4/27pF。C2和C3分别由7pF的固定电容器及分布电容组成基本容量组，可选择的电容器对分别为15pF、30pF、60pF、120pF、240pF和480pF，其中60pF和480pF可以从5%容差的62pF和470pF电容器中选出。以15pF步进一直变化到945pF，加上固定的7pF，变化范围是7pF~952pF，这对大多数应用是足够的。

　　起动力泵作用的晶体管BG1和BG2有两种选择：结型场效应管和双极型晶体三极管，通过K2选择，实践中分别使用了3DJ7H和2N3904。

　　国产结型场效应管选择H档是由于跨导的限制，F档不能起振，而G档运行不太可靠，只有H档及以上后缀的可以满意工作。当然如果选用了国外的同类型管，其跨导远大于国产管，那就可以选择Idss小一些的管子。

　　双极型晶体三极管比较容易起振，选择2N3904只是比较方便，其它类型相当的双极型晶体管都可以使用，R3和R9是它的基极偏置电阻器。

　　晶体管源极／射极所接的可调电阻用来将管子工作点调到最接近实用的那一点上。漏极／集电极的供电电压由K1在5V-8V之间进行切换，以便检查某些晶体在不同工作电压下的适应性。

　　K3用来将电压表转换为供电电压监视，或者工作点监视。在作工作点监视时，某些频率点很可能受到影响而产生停振或振幅突然加大等现象，因而在测得工作点电平后应即返回供电电压监视端。偏置电压的范围，在1.5V~1.7V之间。

　　振荡器的信号由BG3输出，BG3使用了国产甚高频中功率管2G711，这个管子也可以用2N3904代替，没有任何问题。BG3为共集组态，工作电流约(7~10)mA，供电为非稳压的。射极总电阻为200Ω，分四档输出：0dB，-20dB，-40dB，-60dB，因而本机还可以作为一个标准信号源使用。

　　由D1为主的电路组成了稳定偏置的供电电路，可使用任何颜色的、端电压在2.64V~2.72V之间的LED。

　　PCB的底部位置留给未来的频率计使用。

　　在初步安装了接插件之后，对PCB的相关位置进行了分布电容的测试：
       

27_测试PCB分布电容

        图５ PCB分布电容测试

　　测试结果；这组结果将融入数据的处理过程中：
       

23_PCB分布电容

        图６ PCB分布电容的测试数据


（待续）

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　　部分晶体测试实例：

　　6MHz晶体初测：
       
        图７ 6MHz晶体测试


　　C2与C3的比值是67pF:97pF：
       
        图８ C2与C3的跳线设置


　　可以看出谐波比较丰富，2、3、4、5、6、8次谐波清晰，其中2、3次谐波仅比基波低29dB，其余在-40dB以下：
       
        图９ 二三四五六八次显著


　　改变跳线，换成97pF:67pF：
       
        图１０ 变换跳线


　　2次和3次谐波均降到-38dB左右：
       
        图１１


　　465KHz的JA5型晶体测试：
       
        图１２


　　在67pF:487pF下起振：
       
        图１３ 电容比例为67pF:487pF


　　465KHz频谱，2、3、4次谐波的幅度都高于-40dB：
       
        图１４ 谐波幅度较高


　　变更为127pF:487pF：
       
        图１５ 变更电容比例


　　4次谐波低于-40dB了，但2、3次谐波仍然较显著：
       
        图１６

（待续）

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　　几种封装类型：
       
        图１７　49S

       
        图１８　49H

       
        图１９　JA5B

       
        图２０　JA23B

       
        图２１　JC1

       
        图２２　J型玻璃封装


（待续）

longshort

　　测试数据处理：
       
        图２３

　　对手中一些有代表性的晶体振子进行了测试，所获数据列在图２３表中。各列内容说明如下：

        A、B列：元数据，包括各关键位置上的分布电容、基础电容、常数和算式定义。
        D列 封装型号：49S是目前无源振子市售最多的形式，49H比49S高，底部相同；JA5B、JC1、JA23B、J玻等都同属于J型封装。
        E、F列 标称参数：Fv是标称频率，CL是标称负载电容。
        G列 实测频率：通过C1的电容变化可以调整到的频率。
        H列 C1(毛)：晶振起振并调整到最合适的状态后，所测得的C1总容量。手工填入。
        I列 C1(净)：扣除分布电容后的净电容量。
        J列 C2：跳线接入的容量总和，应用时还应加上B9的基础电容值。手工填入。
        K列 C3：跳线接入的容量总和，应用时还应加上B10的基础电容值。手工填入。
        L列 C2:C3：电原理图中的C2与C3的实际比例值，包含了所有的分布电容。
        M列 实测负载：晶振起振并调整到最合适的状态后，所测得的实际负载电容值。
        N列 Vdd：是测试当时所用的供电电压；多数在5V下能够很好工作，但不排除少数需要较高的工作电压才行。手工填入。
        O列 振荡电压：数字示波器上所显示的电压峰-峰值。手工填入。
        P、Q列 过程参数：辅助计算用，不必管它。
        R列 Xc：在特定频率下供电的总容抗。
        S列 激励功率：在C2支路上所消耗的电功率；可能与他人理解的过程不同，这里的结果作为参考。
        T列 振荡模式：本次测试所适合的振荡波形输出方式。手工填入。
        U列 说明：在打开FFT后，数字示波器上可关注到的高次谐波产物，及其它需要注意的事项。手工填入。


　　小结：

        １．市售晶体振子的性能各不相同，在同规格的产品中也往往不一致，造成的结果是同一电路配置下的有的能用有的不能用。
        ２．即使商品标了负载电容值，实际测试结果也与标称值有差距；测试器配合测试表可获得实际负载电容值。
        ３．合理配置电容器比例，可使振荡器工作在基波模式或者谐波模式下；测试器可挖掘库存晶体的所有工作能力。
        ４．谐波模式其实是激励功率过大造成的结果，应尽量避免在这种模式下运行；测试器可帮助避开这种模式。
        ５．根据相关资料，49S的激励功率在(100~500)μW内，J型在4mW以下；测试器可帮助选择必要的工作状态。
        ６．测试表的数据仅针对JFET。同样偏置条件下的BJT谐波过于丰富，尚未有时间作进一步的测试。
        ７．测试器有四种电平输出：0dB、-20dB、-40dB、-60dB，这使它能够成为一台稳定的信号发生器。
        ８．测试器要配合示波器、测试记录表才能获得全部结果。测试器与测试记录表有集成为测试仪的条件。


　　参考文档：

        2019037-Xtal-Tester-02.pdf (111.09 KB, 下载次数: 191)

2019-12-18 10:50 上传

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        晶体测试记录.rar (4.13 KB, 下载次数: 149)

2019-12-18 10:50 上传

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（结束）

Booooby

L大威武！年底大作，搬板凳学习！


之前做亮点频标的时候，发现有几个大49U的500K振子死活不振，


要从L大这里取经，看看是不是相同的原因。

iffi123

早期示波器fft点数太少，显示不够精细

晶振虽然自身q值很高，但振荡电路的波形没有预想的好

longshort

iffi123 发表于 2019-12-18 11:12
早期示波器fft点数太少，显示不够精细

晶振虽然自身q值很高，但振荡电路的波形没有预想的好

无妨，基本不动的尖峰除基波外都是谐波，动的都是噪声，不理会即可。

波形与电容器配合有密切关系，需要反复调整，这个测试器就是干这个的。

zhke

好好~

用得上~

longshort

Booooby 发表于 2019-12-18 11:08
L大威武！年底大作，搬板凳学习！

完全有可能就是类似的原因，需要试验电容器的不同比例。

zhke

longshort 发表于 2019-12-18 13:00
完全有可能就是类似的原因，需要试验电容器的不同比例。

L大~

这俩串联的最佳初始值是怎样确定的~

或者说先确定俩大概值然后再做调整到最佳值~

longshort

zhke 发表于 2019-12-18 13:16
L大~

这俩串联的最佳初始值是怎样确定的~

那得去找高等数学了．．．．．．

反正咱是一比一的插两个看振不振，再继续调整．．．

zhke

longshort 发表于 2019-12-18 13:24
那得去找高等数学了．．．．．．

反正咱是一比一的插两个看振不振，再继续调整．．．

插两个一样的要是振了就有可能在好多种组合下都振的情况~

能否在不用算的前题下找出那对最佳的？

longshort

zhke 发表于 2019-12-18 13:31
插两个一样的要是振了就有可能在好多种组合下都振的情况~

能否在不用算的前题下找出那对最佳的？

这就是我这帖子里说的办法呀。

zhke

longshort 发表于 2019-12-18 13:33
这就是我这帖子里说的办法呀。

俺听课不认真~

再仔细的看下课里无线逼近最佳值的方法~