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智能电表用晶振检测方法

智能电能表主要用途是计量电能,是供用电之间结算电费的依据。电能计量的关键参数之一是时间,而智能电能表内置晶振是产生时间的关键元件,其准确性和可靠性直接关系到智能电能表的计量是否公平、公正和准确。本文收集了国内外同晶振检测相关的标准,针对晶振的特性确定了电参数,机械特性参数和环境温度参数的检测方法,并对不同厂家的晶振进行了测试分析,验证了检测方法的正确性和实施性。

晶振特性分析

  晶振全称为晶体谐振器(英文Crystal Oscillators),是一种机电器件,具有机电效应。在极窄的范围内,晶振可以等效为电感,同外部的电容一起组成并联或串联谐振回路,作为计时回路的基准,即通电后会产生振荡,振荡的频率同石英晶体的形状、材料、切割方向密切相关,晶振的*主要电气参数是频率准确度和电压特性,前者决定了晶振计时的准确性,后者决定了晶振再工作范围内的稳定性。

  对于智能电能表而言,晶体安装在表壳内PCB伤,受智能电能表安装的户内或户外环境的温度、湿度等因素,即需要考虑环境特性试验。SJ-T9570《石英晶体元件质量等分标准》规定决定晶振质量等级划分*重要的指标之一就是环境试验后温度频差变化率。另外,智能电能表在安装、运输过程中不可避免的会受到振动、撞击等机械伤害,而石英晶体的特性同机械紧密相连。石英晶体是构成晶振的主要材料,由于压电效应,激励电平强迫谐振子产生机械振动,振动的加速度会迅速的转化为动能和弹性能,导致晶体的功耗加大。同时晶体内部或外部的功耗转化为热,甚至用力敲击或者摩擦晶体时其表面会产生火花,这些都会影响晶振的基本计时特性。因此晶振需要进行电参数、机械特性和环境特性试验。 

检测方法

2.1 电参数特性检测

  晶振受制造工艺、器件老化以及外部环境等因素的影响,其标称频率会有一定的变化,即频率的稳定度降低。晶振的频率稳定度是指频率实际值对其标称值的相对偏差。对于高精度的标准频率源一般采用通过定期与基准频率进行比对的方向进行测试,而批量生产的工业用晶振,参照IEC60679-1-2007Quartz crystal oscillators of assessed quality-part 1:Generic specific》中规定的晶振频率稳定度的测量方法,用频率计、稳压电源和晶振的起振电路建立频率稳定度的测试回路。如图1所示。


在图1中,对于不同型号的晶振,按照datasheet规定的负载电容值设置C1的电容值,在实际试验时,将C1安装在四芯的接插件上,可以方便安装不同容值的负载电容。在设置后负载电容后,调整电阻R1,达到晶振的起振点,开始测量。

  另外,可以利用图1装置测量频率的电压特性。调整电压源输出电压值为晶振工作电压的上限和下限,稳定后测量晶振的上线电压工作频率fv1、下限电压工作频率fv2,即可得出晶振频率的电压特性,计算方法如公式(1)。

a=(fv1fv2)/fw1

式(1)中,a为晶振电源变化频率偏差;fw为额定工作电压时的实测频率。

2.2 环境特性参数检测

  晶振的高温存储、低温存储以及恒定湿热试验可以分别参照标准GB/T2423.2-2008电工电子产品环境试验第2部分:试验方法 试验Cab恒定湿热试验执行,主要设备为高低温交变湿热试验箱。

  对于晶振的温度变化率试验(或称温度频差试验)参照标准GB/T12273《石英晶体元件 电子元器件质量评定体系规范 第1部分:总规法》,选择试验A规定的试验方法。设置试验箱的温度为晶振工作温度繁芜的*低极限值,在整个规定温度范围内各测量温度间隔不超过1.5C,逐渐变化温度达到晶振工作温度范围的*高极限值。让晶振再每个测量温度达到热平衡时测量频率,绘制温度频率曲线图,其温度频差的变化率应满足该晶振datasheet的要求。

2.3 机械特性参数检测

  晶振的频率特性受机械外力的影响较大,其机械特性试验包括:破坏性的碰撞试验、振动试验、冲击试验、自由跌落试验和非破坏性的稳态加速度试验,其中*具有代表性试验为正弦振动试验和自由跌落试验。

  正弦振荡试验参照《IEC 68-2-6-Teat Fc and guidance:Vibra-tion simusoidal》标准进行。晶振利用夹具稳定、牢靠地固定在振动测试台上,在三个互相垂直的方向施加振动,主要包括:与引出端平行的轴向。自由跌落试验蚕食《IEC 68-2-32 Teat Ed:Free fall》标准进行,建议借助于引出端将晶振悬挂于1000mm高处跌落两次。

试验数据分析

   20127月选取3.579545MHZ7.3728MHZ8.193MHZ6MHZ5.5296MHZ五种不同标称频率的无源晶振按照一定的抽样比例进行电参数、机械特性和环境特性试验,试验后均满足datasheet要求,*高的平均频率偏差为8.24ppm、*低的平均频率偏差为5.59ppm,其中3.579545晶振的频率特性试验和电压特性试验结果如表1所示。


 结论

  国际标准、国家标准、国家军事标准和各个行业标准都规定了晶振的检测方法、质量评定方法,但是适用于电能智能表的晶振特性分析、检测方法。本文依据晶振的各种相关标准提出来晶振的电参数、机械特性参数和温度特性参数的主要试验检测方法,并对厂家的产品进行了试验,比较了试验的整体数据。试验结果证明本文提出的工业用晶振检测方法的正确性和可实施性,具有国内推广价值。

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