智能電能表主要用途是計(jì)量電能，是供用電之間結(jié)算電費(fèi)的依據(jù)。電能計(jì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一是時(shí)間，而智能電能表內(nèi)置晶振是產(chǎn)生時(shí)間的關(guān)鍵元件，其準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到智能電能表的計(jì)量是否公平、公正和準(zhǔn)確。本文收集了國(guó)內(nèi)外同晶振檢測(cè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)晶振的特性確定了電參數(shù)，機(jī)械特性參數(shù)和環(huán)境溫度參數(shù)的檢測(cè)方法，并對(duì)不同廠家的晶振進(jìn)行了測(cè)試分析，驗(yàn)證了檢測(cè)方法的正確性和實(shí)施性。

1 晶振特性分析

  晶振全稱為晶體諧振器（英文Crystal Oscillators),是一種機(jī)電器件，具有機(jī)電效應(yīng)。在極窄的范圍內(nèi)，晶振可以等效為電感，同外部的電容一起組成并聯(lián)或串聯(lián)諧振回路，作為計(jì)時(shí)回路的基準(zhǔn)，即通電后會(huì)產(chǎn)生振蕩，振蕩的頻率同石英晶體的形狀、材料、切割方向密切相關(guān)，晶振的*主要電氣參數(shù)是頻率準(zhǔn)確度和電壓特性，前者決定了晶振計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，后者決定了晶振再工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

  對(duì)于智能電能表而言，晶體安裝在表殼內(nèi)PCB傷，受智能電能表安裝的戶內(nèi)或戶外環(huán)境的溫度、濕度等因素，即需要考慮環(huán)境特性試驗(yàn)。SJ-T9570《石英晶體元件質(zhì)量等分標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定決定晶振質(zhì)量等級(jí)劃分*重要的指標(biāo)之一就是環(huán)境試驗(yàn)后溫度頻差變化率。另外，智能電能表在安裝、運(yùn)輸過(guò)程中不可避免的會(huì)受到振動(dòng)、撞擊等機(jī)械傷害，而石英晶體的特性同機(jī)械緊密相連。石英晶體是構(gòu)成晶振的主要材料，由于壓電效應(yīng)，激勵(lì)電平強(qiáng)迫諧振子產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)的加速度會(huì)迅速的轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性能，導(dǎo)致晶體的功耗加大。同時(shí)晶體內(nèi)部或外部的功耗轉(zhuǎn)化為熱，甚至用力敲擊或者摩擦晶體時(shí)其表面會(huì)產(chǎn)生火花，這些都會(huì)影響晶振的基本計(jì)時(shí)特性。因此晶振需要進(jìn)行電參數(shù)、機(jī)械特性和環(huán)境特性試驗(yàn)。 

2 檢測(cè)方法

2.1 電參數(shù)特性檢測(cè)

  晶振受制造工藝、器件老化以及外部環(huán)境等因素的影響，其標(biāo)稱頻率會(huì)有一定的變化，即頻率的穩(wěn)定度降低。晶振的頻率穩(wěn)定度是指頻率實(shí)際值對(duì)其標(biāo)稱值的相對(duì)偏差。對(duì)于高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源一般采用通過(guò)定期與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比對(duì)的方向進(jìn)行測(cè)試，而批量生產(chǎn)的工業(yè)用晶振，參照IEC60679-1-2007《Quartz crystal oscillators of assessed quality-part 1:Generic specific》中規(guī)定的晶振頻率穩(wěn)定度的測(cè)量方法，用頻率計(jì)、穩(wěn)壓電源和晶振的起振電路建立頻率穩(wěn)定度的測(cè)試回路。如圖1所示。

在圖1中，對(duì)于不同型號(hào)的晶振，按照datasheet規(guī)定的負(fù)載電容值設(shè)置C1的電容值，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，將C1安裝在四芯的接插件上，可以方便安裝不同容值的負(fù)載電容。在設(shè)置后負(fù)載電容后，調(diào)整電阻R1，達(dá)到晶振的起振點(diǎn)，開始測(cè)量。

  另外，可以利用圖1裝置測(cè)量頻率的電壓特性。調(diào)整電壓源輸出電壓值為晶振工作電壓的上限和下限，穩(wěn)定后測(cè)量晶振的上線電壓工作頻率fv1、下限電壓工作頻率fv2，即可得出晶振頻率的電壓特性，計(jì)算方法如公式（1）。

a=(fv1－fv2)/fw（1）

式（1）中，a為晶振電源變化頻率偏差；fw為額定工作電壓時(shí)的實(shí)測(cè)頻率。

2.2 環(huán)境特性參數(shù)檢測(cè)

  晶振的高溫存儲(chǔ)、低溫存儲(chǔ)以及恒定濕熱試驗(yàn)可以分別參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2423.2-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Cab恒定濕熱試驗(yàn)執(zhí)行，主要設(shè)備為高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱。

  對(duì)于晶振的溫度變化率試驗(yàn)（或稱溫度頻差試驗(yàn)）參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12273《石英晶體元件 電子元器件質(zhì)量評(píng)定體系規(guī)范 第1部分：總規(guī)法》，選擇試驗(yàn)A規(guī)定的試驗(yàn)方法。設(shè)置試驗(yàn)箱的溫度為晶振工作溫度繁蕪的*低極限值，在整個(gè)規(guī)定溫度范圍內(nèi)各測(cè)量溫度間隔不超過(guò)1.5C，逐漸變化溫度達(dá)到晶振工作溫度范圍的*高極限值。讓晶振再每個(gè)測(cè)量溫度達(dá)到熱平衡時(shí)測(cè)量頻率，繪制溫度頻率曲線圖，其溫度頻差的變化率應(yīng)滿足該晶振datasheet的要求。

2.3 機(jī)械特性參數(shù)檢測(cè)

  晶振的頻率特性受機(jī)械外力的影響較大，其機(jī)械特性試驗(yàn)包括：破壞性的碰撞試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、自由跌落試驗(yàn)和非破壞性的穩(wěn)態(tài)加速度試驗(yàn)，其中*具有代表性試驗(yàn)為正弦振動(dòng)試驗(yàn)和自由跌落試驗(yàn)。

  正弦振蕩試驗(yàn)參照《IEC 68-2-6-Teat Fc and guidance:Vibra-tion simusoidal》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。晶振利用夾具穩(wěn)定、牢靠地固定在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)上，在三個(gè)互相垂直的方向施加振動(dòng)，主要包括：與引出端平行的軸向。自由跌落試驗(yàn)蠶食《IEC 68-2-32 Teat Ed:Free fall》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，建議借助于引出端將晶振懸掛于1000mm高處跌落兩次。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

   2012年7月選取3.579545MHZ、7.3728MHZ、8.193MHZ、6MHZ、5.5296MHZ五種不同標(biāo)稱頻率的無(wú)源晶振按照一定的抽樣比例進(jìn)行電參數(shù)、機(jī)械特性和環(huán)境特性試驗(yàn)，試驗(yàn)后均滿足datasheet要求，*高的平均頻率偏差為8.24ppm、*低的平均頻率偏差為5.59ppm，其中3.579545晶振的頻率特性試驗(yàn)和電壓特性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

 4 結(jié)論

  國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家**標(biāo)準(zhǔn)和各個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了晶振的檢測(cè)方法、質(zhì)量評(píng)定方法，但是適用于電能智能表的晶振特性分析、檢測(cè)方法。本文依據(jù)晶振的各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出來(lái)晶振的電參數(shù)、機(jī)械特性參數(shù)和溫度特性參數(shù)的主要試驗(yàn)檢測(cè)方法，并對(duì)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)，比較了試驗(yàn)的整體數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的工業(yè)用晶振檢測(cè)方法的正確性和可實(shí)施性，具有國(guó)內(nèi)推廣價(jià)值。

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