一种测量芯片晶体振荡器振荡功率的方法及电路与流程

本发明涉及芯片晶体振荡器，具体而言，涉及一种测量芯片晶体振荡器振荡功率的方法及电路。

背景技术：

1、人工智能、云计算、大数据的快速发展，推动数据中心设备（服务器、存储阵列、交换机等）、光网络传输设备（传送网、接入网等）、无线传输技术（2/3/4/5g、wifi、微波、毫米波等）对数据传输的速度越来越高。对于高速数据传输，需要提供一个稳定、可靠、低成本的参考时钟，使系统能够正常工作，并提高业务的可靠性。在大多数应用场景中，可以使用时钟发生器、频率综合器等低成本的芯片产生时钟，并作为业务参考时钟，而时钟发生器、频率综合器同样需要一个参考时钟来产生上述的业务参考时钟，晶体是一种低成本、高可靠性的时钟源，只需要给予满足条件的激励即可产生稳定的时钟。

2、晶体的工作原理利用了陶瓷的压电效应，通过从晶体的一端施加一个交变的电压迫使晶片发生形变，并在晶体的另一端产生一个交变的电压，从而输出稳定的时钟信号。通过控制石英晶片的厚度以及材质，可以改变晶体的谐振频率与q值（品质因素）。

3、由于工艺、原理等原因，晶体无法承受过大的振荡功率，否则将导致晶体失效。过小的振荡功率也会导致晶体工作异常，出现波形失真、频率不稳定等现象。

4、为了使晶体能够正常工作，需要测量晶体的振荡功率，以确保振荡功率在晶体可承受范围内。现有测量晶体的振荡功率的技术方案中，需要测量到从晶体驱动器输出并经过晶体的电流，同时使用矢量网络分析仪或其他方法测得晶体的等效串联电阻，通过公式p=i2r来计算当前晶体的振荡功率，式中，p表示晶体的振荡功率，i表示经过晶体的电流，r表示晶体的等效串联电阻。该技术方案将晶体竖直焊接在评估板上，评估板上有一个晶体驱动器，可通过增加串联在晶体驱动器到晶体之间的电阻，来减小晶体驱动器对晶体的振荡功率。将引线穿过电流探针的测量孔洞中，一头焊接至晶体的一端，另一头焊接在晶体驱动器的输入端，以此构成一个完整的晶体振荡器。电流探针的原理为电磁感应原理，其内部为互感线圈，当上述穿过测量孔洞的引线上有交变的电流时，所产生的磁场耦合到互感线圈的磁环上，并在互感线圈的次级绕组上产生一定的交变电流。电流探针内部的电流放大器会将该微弱的电流放大并转换为电压信号，将该电压信号连接至示波器以得到电流均方根值，再将平方后的电流均方根值与之前所测得的晶体的等效串联电阻相乘，即得到晶体的振荡功率。

5、上述现有测量晶体的振荡功率的技术方案存在如下问题：

6、1、引入干扰：由于电流探针一般体积为晶体的10~50倍，因此引线的长度必须能够保证电流探针可以加入测量组网中，而过长的引线可视为一段传输线，传输线本身具有等效串联电感，会严重破坏信号完整性，导致测量的电流波形失真；

7、2、价格昂贵：晶体的振荡功率一般小于500μw，而对应的电流也非常小，约100μa~2ma。测量如此小的电流需要极高精度的电流探针，价格昂贵，且量程非常小（量程过大会导致非常高的量化误差），该投入仅能测量微弱电流，经济效益极低。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种测量芯片晶体振荡器振荡功率的方法及电路，以解决上述现有测量晶体的振荡功率的技术方案存在的问题。

2、本发明提供的一种测量芯片晶体振荡器振荡功率的方法，包括：

3、根据晶体振荡器的额定振荡功率，推算晶体振荡器的振荡信号电流i；

4、在晶体振荡器输出端串联一个检测电阻r5；所述检测电阻r5的阻值根据推算的振荡信号电流i进行选择；

5、使能晶体振荡器输出振荡信号，振荡信号经过检测电阻r5后，在检测电阻r5两端产生压降u；

6、将压降u经差分放大器进行放大和偏置后输出；

7、测量差分放大器的输出信号，得到电压有效值vrms；

8、由检测电阻r5和差分放大器确定电流-电压放大倍数k；

9、测量晶体振荡器中无源晶体的等效串联阻抗resr；

10、根据电压有效值vrms与电流-电压放大倍数k，计算晶体振荡器振荡信号的电流有效值irms；

11、根据电流有效值irms与等效串联阻抗resr，计算晶体振荡器的振荡功率p。

12、进一步的，所述检测电阻r5的阻值要求为：

13、所述检测电阻r5的阻值，应使得晶体振荡器中无源晶体y1接收到的功率不低于要求的最低功率。

14、进一步的，所述差分放大器中各电阻的阻值，由检测电阻r5上的压降u以及差分放大器的供电电压确定。

15、进一步的，所述电流-电压放大倍数k的计算方法为：

16、计算检测电阻r5上电流到电压的转换系数ki=u/i；

17、根据差分放大器中各电阻的阻值，计算差分放大器的放大倍数kv；

18、计算电流-电压放大倍数k=ki×kv。

19、进一步的，电流有效值irms=电压有效值vrms/k。

20、进一步的，晶体振荡器的振荡功率p=irms2×resr。

21、本发明还提供一种测量芯片晶体振荡器振荡功率的电路，用于实现上述的测量芯片晶体振荡器振荡功率的方法，

22、所述测量芯片晶体振荡器振荡功率的电路，包括检测电阻r5、差分放大器、第一测量仪、第二测量仪和计算模块；所述差分放大器中设有一个dc电压源，用于对差分放大器的输出信号进行偏置；

23、所述检测电阻r5串联在晶体振荡器输出端；所述差分放大器的输入端连接检测电阻r5；所述差分放大器的输出端连接的第一测量仪；所述第二测量仪与晶体振荡器中无源晶体连接；

24、所述第一测量仪用于测量差分放大器的输出信号，得到电压有效值vrms；所述第二测量仪用于测量晶体振荡器中无源晶体的等效串联阻抗resr；所述计算模块中预先存储有电流-电压放大倍数k，用于根据电流-电压放大倍数k、电压有效值vrms和与等效串联阻抗resr，计算晶体振荡器的振荡功率p。

25、进一步的，所述差分放大器包括放大器u1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和dc电压源；

26、放大器u2的正输入端一方面经电阻r1连接检测电阻r5的一端，另一方面依次经电阻r3和dc电压源接地；放大器u2的负输入端一方面经电阻r2连接检测电阻r5的另一端，另一方面经电阻r4连接放大器u2的输出端；放大器u2的输出端即差分放大器的输出端。

27、进一步的，所述第一测量仪为示波器。

28、进一步的，所述第二测量仪为矢量网络分析仪。

29、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

30、本发明利用检测电阻、差分放大器和测量仪器即可测量晶体振荡器振荡功率，有效避免了现有测量晶体的振荡功率的技术方案中，因引入长引线而导致的波形失真，测量结果不准确的问题。而利用大多数实验室均具备示波器等测量仪器，有效降低了公司对测量仪器的投入成本。因此本发明具有以下明显有益效果：

31、1、测量精度高；

32、2、测量成本低；

33、3、测量方法简单可行。