音叉晶体频率测量

原创 TsinghuaJoking 2024-10-04 07:15

一、前言

  前面使用 ADALM2000 测量音叉晶体谐振特性的时候,一直没有得到想要的结果。下面通过对 晶体增加缓冲放大,来测量 晶体的谐振频率,另外,也分析一下,为何 ADALM2000 模块测量晶体频率特性的时候,为何无法得到测量的结果的问题。

二、电路设计

  设计信号高速缓冲放大电路。在晶体上的电压,通过有 LM358进行跟随放大,输出到端口。这部分是产生 二分之一电源电压,用于信号源的偏置。设计单面电路板,适合一分钟制版方法。

▲ 图1.2.1 测试PCB电路板

  一分钟之后,得到了测试电路板。电路板制作的非常完美。下面进行焊接测试。

三、焊接调试

  焊接电路,清洗之后进行调试,给电路施加 5V 工作电源,使用示波器测量输入输出信号。上面是输入信号,下面是谐振后的音叉晶体放大后的信号。

▲ 图1.3.1 输入和放大后的信号

  通过网络编程,控制DG1062输出正弦频率线性变化,峰峰值为 2V,利用 DM3068交流档,测量缓冲放大输出信号有效值。这是扫频范围从 32750Hz 到32780Hz,扩大扫频范围,在串联谐振时,对应的频率为 32760Hz,并联谐振时,对应的频率为 32775Hz。

▲ 图1.3.2 从32750 扫频到32780 对应的幅度

▲ 图1.3.3 扫描频率范围(32700,32900)的幅频特性

四、ADALM2000测量结果

  由于万用表测量只能反应谐振的幅频特性。无法得到对应的相频特性。下面利用ADALM2000 重新测量这个电路的频率特性。它可以同时获得幅频特性和相频特性。测量 32768 左右正负100Hz范围内的频率特性。测量结果依然令人感到惊讶,还是没有得到与 DG1062 扫频搜得到的频率特性。这究竟是为什么呢?

  后来,对于ADALM2000 频率扫频参数进行设置,这里的采样周期 以及数据平均值参数,便可以得到稳定的测量值了。这里是将周期数和平均数都分别设置为 100 和 50,可以获得比较精确的晶体谐振曲线了。上面是幅频特性,下面是相频特性。

▲ 图1.4.1 读取的测量数据

  到现在为止,我才明白,这里的两个参数的含义,Period 是数据采集的时间长度,这个数值越大,因为数据加窗所带来的频率泄露现象越小,对应的频率分辨率越高。Average 对应数据平均个数,该数值越大,对应 数据噪声越低。这里给出了两组参数测量结果的对比。可以看到 P=100 所得到的频率特性比 P=10 要窄,信噪比也高一些。再对比一下另外一组采集参数的结果。

▲ 图1.4.2 不同Period 和Average对应的测量数据

  对比一下 Period=2时,信号的长度,Period=20 对应的信号长度。Period=100时对应的信号长度。信号长度增加,包括 平均数据增加,虽然可以有效增加扫描频谱特性的分辨率和信噪比,但也使得测量过程变得比较缓慢。

▲ 图1.4.3 Period=2对应的数据波形

▲ 图1.4.4 Period=20对于的数据波形

▲ 图1.4.5 Period=100对于的数据波形

  结 ※

  文最终测试了手表晶体特性,通过对晶体信号增加缓冲放大,可以测到音叉晶体的谐振特性。对于ADALM2000,需要设置合理的 Period 以及 Average 参数,从而可以获得最好的频率分辨率以及提高测量结果的信噪比。

参考资料
[1]

利用DG1062信号元测量手表晶体的谐振特性: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/141257027

[2]

带有74HC04缓冲测量手表晶体的谐振特性: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/141231549

[3]

测量 手表晶体的频率特性: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/141230000


TsinghuaJoking 这是一个公众号,它不端、不装,与你同游在课下、课上。 卓晴博士,清华大学中央主楼 626A。010-62773349, 13501115467,zhuoqing@tsinghua.edu.cn
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