基于石英音叉晶振的实验教学设计研究

第39卷第1期2021年1月吉林大学学报（信息科学版）Vol.39No.1 Journal of Jilin University(Information Science Edition)Jan.2021文章编号：1671-5896(2021)01-0100-06石英音叉扫频及性能测试教学科研系统郑传涛，刘洋，闫格，胡立恩(吉林大学电子科学与工程学院，长春130012)摘要：为了测定石英增强光声光谱气体传感系统的谐振频率与品质因数，同时服务于《高频电子线路》中R-L-C 选频电路的教学需求，促进教学与科研的充分融合，设计并实现了一种石英音叉扫频及性能测试系统。

首先分析了石英音叉的R-L-C电学模型，采用Matlab软件对模型做了仿真分析。

研制了跨阻放大电路，用于放大正弦激励或外加声场作用下的石英音叉输出信号。

利用锁相放大器、跨阻放大器、信号发生器、LabVIEW信号平台，建立了石英音叉扫频及性能测试系统。

利用给定的石英音叉及该测试系统，在真空封装及去除外壳两种情况下，分别测试了石英音叉的等效电学参数、谐振频率、品质因数等性能。

该系统既融合了R-L-C选频电路的基本知识，又拓展了基于石英音叉的科研应用案例。

实际应用表明，石英音叉扫频及性能测试系统满足R-L-C 选频电路的实验教学需求以及石英增强光声光谱技术的科研需要，取得了较好的教学与科研应用效果。

关键词：实验教学系统；R-L-C电路；石英音叉；石英增强光声光谱技术；LabVIEW平台中图分类号：TP37；G434文献标识码：ATeaching and Research System for Frequency Sweep andPerformance Test of Quartz Tuning ForkZHENG Chuantao,LIU Yang,YAN Ge,HU Lien(College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun130012,China)Abstract:In order to measure the resonant frequency and the quality factor of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy gas sensing system,to serve the teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit in the ourse of"high frequency electronic circuit",to and promote the full integration of teaching and scientific research,a frequency sweep and performance test experimental system for quartz tuning fork is designed and implemented.The principle of R-L-C electrical model of quartz tuning fork is firstly analyzed,and the model is simulated by Matlab.In order to amplify the output signal of a quartz tuning fork under sinusoidal excitation or external sound field,a transimpedance amplifier circuit is designed.The frequency sweep and performance test system of quartz tuning fork is established by using a lock-in amplifier,a trans resistance amplifier,a signal generator and a LabVIEW signal ing the given quartz tuning fork,the equivalent circuit model parameters,resonant frequency and quality factor are tested under vacuum packaging and shell removal.This system integrates the basic knowledge of R-L-C frequency selection circuit and expands the scientific research application cases based on quartz tuning fork.The practical application shows that the system can meet the experimental teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit and scientific research needs of quartz enhanced photoacoustic spectroscopy technology,and has achieved good teaching and research application results.收稿日期：2020-08-09基金项目：吉林大学“十三•五”本科生规划教材基金资助项目；吉林大学青年教师教学能力提升基金资助项目(2019XYB390)；吉林大学本科“创新示范课程”建设基金资助项目；吉林大学在线课程基金资助项目作者简介：郑传涛(1982-),男，河南商丘人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事电子科学与技术专业本科生与研究生理论与实验教学工作及红外激光光谱学与应用领域科研工作研究，(Tel)86-137********(E-mail)*********************.cn。

音叉的振动实验报告实验目的本实验主要目的是通过使用音叉进行振动实验，探究音叉的振动规律，并了解音叉的特性及应用。

实验器材1. 音叉2. 音叉杆3. 钳子4. 实验台5. 单脚支架6. 示波器实验原理音叉属于弹性体，当受到力的作用时，会发生弹性变形并产生振动。

音叉的振动频率主要取决于其物理性质，如材料的弹性模量、几何结构和质量等。

实验步骤1. 将音叉插入音叉杆中，并用钳子将音叉杆夹在实验台上的单脚支架上，确保音叉能够自由振动。

2. 用实验台上的示波器测量音叉的振动频率。

调整示波器的设置，确保能够准确地测量音叉的振动频率。

3. 轻轻敲击音叉，使其振动，并观察示波器上的波形。

4. 改变敲击音叉的力度和位置，观察对音叉振动频率的影响。

5. 在实验过程中记录实验数据和观察结果。

实验结果根据实际测量数据，可以得出以下结论：1. 音叉的振动频率与其材料的弹性模量有关。

通过改变材料，我们可以观察到不同频率的音叉振动。

2. 音叉的振动频率与其几何结构有关。

一般情况下，音叉的长度越长，振动频率越低。

3. 音叉的振动频率与其质量有关。

一般情况下，音叉的质量越大，振动频率越低。

实验讨论1. 在实验过程中，我们发现改变敲击音叉的力度会对振动频率产生一定影响。

较大的敲击力度会引起音叉振动振幅增大，从而导致振动频率的变化。

2. 通过观察示波器上的波形，我们可以了解到音叉的振动是周期性的，并且呈现出正弦波的形态。

实验总结通过本次实验，我们深入了解了音叉的振动规律，并学习了使用示波器进行频率测量的方法。

同时，我们还通过实际操作和观察，掌握了改变音叉振动频率的方法。

这对我们进一步理解振动理论和应用具有重要意义。

参考资料[1] 高中物理教材。

石英晶体振荡器实验报告学号 200805120109 姓名 刘皓 实验台号实验结果及数据（一） 静态工作点（晶体管偏置）不同对振荡器振荡频率、幅度和波形的影响 1、把单刀开关K2闭合，用示波器和频率计在c 点监测。

调整DW 1，使振荡器振荡；微调C 2，使振荡频率在4MHz 左右。

2、调整DW 1，使BG 1工作电流E Q I 逐点变化，E Q I 可用万用表在A 点通过测量发射极电阻R 4两端的电压得到（R 4=1k Ω）。

振荡器工作情况变化及测量结果如表1所示：表1 静态工作点变化对振荡器的影响（二）2C 取值不同对振荡器振荡频率范围的影响2C 变化对振荡器的影响 测量条件：E Q I = 1.5 m A保持4.433MHz 基本不变（三）负载变化对振荡器的影响1、K 1断开的情况下，将振荡器的振荡频率调整到4MHz 左右，此时频率osc f = 4.433 MHz ，幅度opp V = 2.92 V 。

2、将K 1分别接1—2、1—3、1—4的位置，即接入不同的负载电阻R 5，测得的相应的频率和幅度及计算结果如表3所示。

表3 负载变化对振荡器的影响 测量条件：osc f =4.433 MHz ，幅度opp V =2.92 V由表3知：负载变化对振荡器工作频率的影响是： 几乎没有影响。

负载变化对振荡器输出幅度的影响是： 随着负载阻抗的减小，输出幅度略微减小。

（四）比较负载变化对LC 正弦波振荡器和石英晶体振荡器的不同影响负载变化对LC 正弦波振荡器的影响比较明显。

而对石英晶体振荡器的影响很小。

这主要是由于石英晶体振荡器的稳定性很高。

思考题晶体振荡器的振荡频率比LC 振荡器稳定得多，为什么？ 答：因为（1）石英晶体谐振器具有很高的标准性。

（2）石英晶体谐振器与有源器件的接入系数 ，受外界不稳定因素的影响少。

（3）石英晶体谐振器具有非常高的Q 值，维持振荡频率稳定不变的能力极强。

中文摘要石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。

这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。

利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。

由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。

石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。

本设计对利用石英晶体构成正弦波的振荡器的方法做了较深入的研究，对振荡器的原理及石英晶体振荡器原理做了详细的介绍并通过Multisim软件设计、仿真出并联的石英晶体振荡器，最后按照原理图进行调试和参数的计算。

关键词石英，晶振，压电效应，频率稳定性，Multisim仿真目录课程设计任务书课程设计成绩评定表中文摘要...................................................................................................... .1 目录...................................................................................................... . (2)1设计任务描述 (3)1.1 设计目的... ..................................................... ................ ............... (3)1.2 基本要求.................................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3)2 设计思路.......................................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4)3 设计方框图.......................................................................... . . . . . . . . . . . (5)4 各部分电路设计及参数计算................................................. . . . . . . . . . (6)5 工作过程分析....................................................................... . . . . . . . . . . (11)6 元器件清单 (12)7 主要元器件介绍........................................................... . . . . . . . . . . (13)小结........................................................................................... . . . . . . . . . . . . .18 致谢.................................................................................... . . . . . . . . . . . (19)参考文献.............................................................................. . . . . . . . . . . . (20)附录逻辑电路图................................................................... . . . . . . . . . .. (21)仿真效果图 (22)1.设计任务描述1．设计题目：石英晶体振荡器的设计与调试1.1设计目的：1.深入理解石英晶体振荡器的工作原理，熟悉振荡器的构成和电路各元件的作用；2.掌握振荡器的设计方法及参数计算；3.学会正弦波振荡器的调试。

石英晶体振荡器实验报告【高振动石英晶体振荡器】石英晶体振荡器实验报告【高振动石英晶体振荡器】新的设备特性使苛刻应用中的频率控制更稳固。

我们通常认为在电子系统中，石英晶体振荡器是最易碎的元件之一，这并不奇怪，因为振荡器里的石英晶体谐振器是由一个很大的结晶体组成的，就像一个大的圆空AT-cut晶体被金属夹固定在一个金属壳里。

这种结构不能耐受高出50～100g太多的振动强度。

这类晶体振荡器非常适合大型台式仪器和类似的设备，但不太适用于对高振动性要求很高的应用领域，如掌上电脑和军需设备。

在这些设备中，加速度达到千个甚至万个g。

很明显，一般的晶体结构在此类应用中是不合适的。

推动石英晶体和振荡器结构变化的动力来自对电子器件小型化的不断追求。

伴随着照相机平版印刷的发展和加工石英晶体的化学工艺的进步，小型化在1970年迈出了关键的一步。

这种新的处理工艺来自曾用于硅工业的一些技术，能够精确地磨制出小于1mm尺寸的石英／晶体，并能精确到几微米。

在小型化进程中很重要的另一步是将晶体牢牢固定于一个粗糙机架的陶瓷封装技术得到发展。

由此，这种制造与构造工艺成为了石英晶体小型化不成文的标准。

“小型化”与“好处”幸运的是，石英晶体振荡器的小型化还带来了额外的好处，那就是大大提高了它们冲击与振动的耐受性。

因为尺寸小，谐振器质量较低，也因此对谐振器的力也较小。

如果使用强安装材料，谐振器就不会因为加速度太大掉下来，它会被牢牢固定在本来的位置上，进一步而言，由于它的小尺寸(短空白大小或短音叉齿)谐振器内的剪力很小，谐振器能抵抗高振动而不被破坏。

小尺寸的另一个附加的好处是，谐振器的最低弯曲型频率状态可达几千赫兹或更高。

这种情形至少会带来两个好处。

第一个，由于振动到来之前大约1mm或更长时间会出现振动，可作为类似静电噪声的脉冲处理，在任何指定时段内的振动可大致看做一个固定的加速度，而这个加速度太小，所以不能激活晶体的弯曲模式，第二，这种弯曲型对频率要求非常高，振动产生的频率通常低于2kHz，所以不会被其所激活。

基于石英音叉温度传感器的测温仪表的设计与实现
随着人们生活水平的提高，温度控制的应用范围也在不断扩大，温度检测技术也越来越重要。

在低温场合，温度的测量能够检测出隐藏的问题，及时调节温度以改善工作效率，实现温度控制。

本文研究了基于石英音叉温度传感器的测温仪表，实现了温度传感器精准测量，通过STM32单片机采集和传输模块将测量结果传输到LCD显示模块、显示出温度，实现温度测量。

本文首先对温度传感器的特性，电路及有关参数进行介绍，然后介绍单片机STM32主控单元的硬件和软件实现，随后给出硬件的整体设计，并使用Keil C Pro编程实现软件任务；最后给出仪表的测试结果说明系统工作稳定可靠。

实验表明，本文所设计的基于石英音叉温度传感器的温度仪表测量精度高，能够准确采集和显示温度信息，系统可靠性好。

本设计也为温度仪表的后续发展提出了一些建议。

标题：晶振测量实训报告一、实训目的本次晶振测量实训旨在使学生掌握晶振的基本原理、工作特性以及测量方法，提高学生对晶振性能参数的识别能力，为今后从事相关领域工作打下坚实基础。

二、实训内容1. 晶振的基本原理及工作特性（1）晶振的基本原理：晶振是利用石英晶体在压电效应下的振动特性，将输入的交流电压转换为稳定的振荡频率。

石英晶体具有高稳定性、高精度、低相位噪声等优良特性，广泛应用于电子设备中。

（2）晶振的工作特性：晶振的频率、温度系数、负载系数、相位噪声等参数是衡量晶振性能的重要指标。

2. 晶振的测量方法（1）频率测量：采用频率计对晶振的振荡频率进行测量，确保晶振工作在规定频率范围内。

（2）温度系数测量：通过改变晶振工作环境温度，观察晶振频率的变化，计算晶振的温度系数。

（3）负载系数测量：在晶振输出端接入不同负载，观察晶振频率的变化，计算晶振的负载系数。

（4）相位噪声测量：采用相位噪声分析仪对晶振的相位噪声进行测量，分析晶振的相位噪声特性。

三、实训步骤1. 晶振频率测量（1）将晶振接入频率计，观察频率计显示的频率值。

（2）调整晶振的工作环境温度，观察频率计显示的频率值，计算晶振的温度系数。

（3）接入不同负载，观察频率计显示的频率值，计算晶振的负载系数。

2. 晶振相位噪声测量（1）将晶振接入相位噪声分析仪，设置测量参数。

（2）观察相位噪声分析仪显示的相位噪声曲线，分析晶振的相位噪声特性。

四、实训结果与分析1. 频率测量结果通过频率计测量，晶振的振荡频率为XX MHz，符合设计要求。

2. 温度系数测量结果通过改变晶振工作环境温度，晶振频率变化范围为XX ppm/℃，温度系数为XX ppm/℃。

3. 负载系数测量结果接入不同负载后，晶振频率变化范围为XX ppm，负载系数为XX ppm。

4. 相位噪声测量结果通过相位噪声分析仪测量，晶振的相位噪声曲线如图1所示。

分析可知，晶振的相位噪声性能良好。

五、实训总结本次晶振测量实训使学生掌握了晶振的基本原理、工作特性以及测量方法，提高了学生对晶振性能参数的识别能力。

石英晶体振荡器实验报告学号200800120228 姓名辛义磊实验台号30一、实验目的1、进一步学习数字频率计的使用方法；2、掌握并联型晶体振荡器的工作原理及特点；3、掌握晶体振荡器的设计、调试方法；4、观察并研究外界因素变化对晶体振荡器工作的影响。

二、实验仪器双踪示波器数字频率计晶体管毫伏表直流稳压电源数字万用表三、实验原理1、石英晶体振荡器的原理LC振荡器由于受到LC回路的标准性和品质因数的限制，其频率稳定度只能达到10-4的量级，很难满足实际应用的要求。

石英晶体振荡器采用石英晶体谐振器作为选频回路的振荡器，其振荡频率主要由石英晶体决定。

与LC回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和品质因数，使石英晶体振荡器可以获得极高的频率稳定度。

由于石英晶体的精度和稳频措施不同，石英晶体振荡器可以获得高达10-4—10-11量级的频率稳定度。

晶体谐振器是一个串、并联谐振回路，串并联谐振频率f q、f p分别为由于错误！未找到引用源。

，错误！未找到引用源。

相差很小，一般石英晶体的L q很大，错误！未找到引用源。

很小，与同样频率的LC元件构成的回路相比，L q、错误！未找到引用源。

与LC元件数值要相差4—5个数量级；同时，晶体谐振器的品质因数也非常大。

晶体在工作频率附近阻抗变化率大，有很高的并联谐振阻抗。

在晶体振荡器中，把石英晶体谐振器用作等效感抗，振荡频率必处于错误！未找到引用源。

之间的狭窄频率范围内。

由于石英晶体的高Q特性，等效感抗X随w的变化率极其陡峭，它对频率的变化非常敏感。

因而在晶体振荡器的振荡系统中出现频率不稳定因素影响，使振荡系统的错误！未找到引用源。

时，石英晶体具有极高的频率补偿能力，晶体振荡器的振荡频率只要有极微小的变化，就足以保持振荡系统的错误！未找到引用源。

因此，晶体振荡器的工作频率非常稳定。

晶体振荡器依据在电路中的作用，可分为并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器两大类。

2、实验电路本实验采用石英晶体振荡器，如图所示为实验电路图。

石英晶体振荡器实验报告
石英晶体振荡器实验报告
一、实验目的
1．了解晶体振荡器的工作原理及特点；
2．掌握晶体振荡器的设计方法及参数计算方法。

二、实验电路说明
本实验电路采用并联谐振型晶体振荡器，如图
XT、C2、C3、C4组成振荡回路。

Q1的集电极直流负载为R3,偏置电路由R1、R2、W和R4构成，改变W可改变Q1的静态工作点。

静态电流的选择既要保证振荡器处于截止平衡状态也要兼顾开始建立振荡时有足够大的电压增益。

振荡器的交流负载实验电阻为R5。

三、实验内容及步骤
1．接通电源；
2．测量振荡器的静态工作点：
调整图中W，测得Iemin和Iemax（可测量R4两端的电压来计算相应的Ie值）；经计算可得：Iemin=0.704mA , Iemax=4.920mA 3．测量当工作点在上述范围时的振荡器频率及输出电压。

振荡器的频率为10MHz，输出电压的范围是0.37V～2.50V
4．研究有无负载对频率的影响：先将K1拨至OFF，测出电路振荡频率，再将K1拨至R5，测出电路振荡频率。

四、实验结果实验波形和频率
五、实验心得
通过动手做实验，我了解了石英晶体振荡器的工作原理，及其特点例如十分稳定。

但是实验中我们发现的问题例如开始时测量Ve 过大，虽然我们经过了改正，但是还是提醒我们在以后的实验中的一些必须注意的问题。

实验4 石英晶体振荡器—、实验准备1．做本实验时应具备的知识点：●石英晶体振荡器●串联型晶体振荡器●静态工作点、微调电容、负载电阻对晶体振荡器工作的影响2．做本实验时所用到的仪器：●晶体振荡器模块●双踪示波器●频率计●万用表二、实验目的1．熟悉电子元器件和高频电子线路实验系统。

2．掌握石英晶体振荡器、串联型晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件功能。

3．熟悉静态工作点、负载电阻对晶体振荡器工作的影响。

4．感受晶体振荡器频率稳定度高的特点，了解晶体振荡器工作频率微调的方法。

三、实验内容1．用万用表进行静态工作点测量。

2．用示波器观察振荡器输出波形，测量振荡电压峰-峰值Vp-p，并以频率计测量振荡频率。

3．观察并测量静态工作点、负载电阻等因素对晶体振荡器振荡幅度和频率的影响。

四、基本原理1．晶体振荡器工作原理一种晶体振荡器的交流通路如图4-1所示。

图中，若将晶体短路,则L1、C2、C3就构成了典型的电容三点式振荡器(考毕兹电路)。

因此，图4-1的电路是一种典型的串联型晶体振荡器电路（共基接法）。

若取L1=4.3μH、C2=820pF、C3=180pF，则可算得LC并联谐振回路的谐振频率f0≈6MHz，与晶体工作频率相同。

图中， C5是耦合（隔直流）电容，R5是负载电阻。

很显然，R5越小，负载越重，输出振荡幅度将越小。

2．晶体振荡器电路晶体振荡器电路如图4-2所示。

图中，4R03、4C02为去耦元件，4C01为旁路电容，并构成共基接法。

4W01用以调整振荡器的静态工作点（主要影响起振条件）。

4C05为输出耦合电容。

4Q02为射随器，用以提高带负载能力。

实际上，图4-2电路的交流通路即为图4-1所示的电路。

五、实验步骤1．实验准备在实验箱主板上插好晶振模块，接通实验箱上电源开关，按下开关4K01，此时电源指示灯点亮。

2．静态工作点测量改变电位器4W01可改变4Q01的基极电压VB ，并改变其发射极电压VE。

基于SOPC的石英音叉温度传感器测试系统的研究
的开题报告
一、选题背景和意义
随着科技的发展，温度传感器在现代化生产中已经得到了广泛的应用，其中石英音叉温度传感器具有高精度、快速响应、可靠性高等优点，是目前应用较为广泛的一种温度传感器。

然而，传统的针对石英音叉温
度传感器进行测试的方法存在一些问题，例如测试精度不高、测试过程
耗时等。

因此，一种基于SOPC架构的石英音叉温度传感器测试系统研究有着较为重要的现实意义。

二、研究内容和目标
本次研究将基于SOPC架构，设计一种石英音叉温度传感器测试系统。

研究内容包括：系统结构设计、硬件模块设计、软件模块设计及系
统测试。

系统目标包括：精度高、响应速度快、测试过程耗时短、系统
可靠性高。

三、研究方法
本次研究将采用SOPC架构，实现硬件模块的设计，包括FPGA、控制器、A/D转换器等。

同时，还将设计相应的软件模块，包括驱动程序、界面程序等。

最后，在测试过程中比较系统测试结果与实际值，对系统
进行优化，提高系统的精度、响应速度及可靠性。

四、预期结果
本次研究完成后，预期结果包括：研制出一种基于SOPC架构的石
英音叉温度传感器测试系统，系统精度达到0.1℃以下、响应时间小于100ms，且测试过程时间短，系统稳定可靠。

同时，该系统还将具有良好的实用性和推广价值。

五、研究意义
本次研究的成果，在工业自动化、制造业等领域具有重要的应用价值。

通过该系统的使用，可以提高生产效率，降低生产成本，同时为石英音叉温度传感器的测试与应用提供可靠的技术支持。