DIN EN 60444-9-2007 Measurement of quartz crystal unit parameters - Part 9 Measurement of spurious resonances of piezoelectric crystal units (IEC 60444-9 2007) German version EN 60.pdf

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1、Dezember 2007DEUTSCHE NORM DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 12DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 3

2、1.140!$Idt“1386581www.din.deDDIN EN 60444-9Messung von Schwingquarz-Parametern Teil 9: Messung der Nebenresonanzen von Schwingquarzen(IEC 60444-9:2007);Deutsche Fassung EN 60444-9:2007Measurement of quartz crystal unit parameters Part 9: Measurement of spurious resonances of piezoelectric crystal un

3、its(IEC 60444-9:2007);German version EN 60444-9:2007Mesure des paramtres des rsonateurs quartz Partie 9: Mesure des rsonances parasites des quartz pizolectriques(CEI 60444-9:2007);Version allemande EN 60444-9:2007Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang

4、 16 SeitenDIN EN 60444-9:2007-12 2 Beginn der Gltigkeit Die von CENELEC am 2007-03-01 angenommene EN 60444-9 gilt als DIN-Norm ab 2007-12-01. Nationales Vorwort Vorausgegangener Norm-Entwurf: E DIN IEC 60444-9:2005-01. Fr diese Norm ist das nationale Arbeitsgremium K 642 Piezoelektrische Bauteile zu

5、r Frequenzstabilisierung und -selektion“ der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE (http:/www.dke.de) zustndig. Die enthaltene IEC-Publikation wurde vom TC 49 Piezoelectric and dielectric devices for frequency control and selection“ erarbeitet. Das IEC-

6、Komitee hat entschieden, dass der Inhalt dieser Publikation bis zu dem auf der IEC-Website unter http:/webstore.iec.ch“ mit den Daten zu dieser Publikation angegebenen Datum (maintenance result date) unverndert bleiben soll. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend der Entscheidung des Komitees die Pub

7、likation besttigt, zurckgezogen, durch eine Folgeausgabe ersetzt oder gendert. Eine zweisprachige Ausgabe dieser Norm kann zu einem spteren Zeitpunkt verffentlicht werden. EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE EN 60444-9 April 2007 ICS 31.140 Deutsche Fassung Messung von Schwingquarz-Par

8、ametern Teil 9: Messung der Nebenresonanzen von Schwingquarzen (IEC 60444-9:2007) Measurement of quartz crystal unit parameters Part 9: Measurement of spurious resonances of piezoelectric crystal units (IEC 60444-9:2007) Mesure des paramtres des rsonateurs quartz Partie 9: Mesure des rsonances paras

9、ites des quartz pizolectriques (CEI 60444-9:2007) Diese Europische Norm wurde von CENELEC am 2007-03-01 angenommen. Die CENELEC-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europischen Norm ohne jede nderung der Stat

10、us einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Zentralsekretariat oder bei jedem CENELEC-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Engli

11、sch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CENELEC-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Zentralsekretariat mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CENELEC-Mitglieder sind die nation

12、alen elektrotechnischen Komitees von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, S

13、panien, der Tschechischen Republik, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern. CENELEC Europisches Komitee fr Elektrotechnische Normung European Committee for Electrotechnical Standardization Comit Europen de Normalisation Electrotechnique Zentralsekretariat: rue de Stassart 35, B-1050 Brssel 200

14、7 CENELEC Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den Mitgliedern von CENELEC vorbehalten. Ref. Nr. EN 60444-9:2007 DEN 60444-9:2007 2 Vorwort Der Text des Schriftstcks 49/764/FDIS, zuknftige 1. Ausgabe von IEC 60444-9, ausgearbeitet von dem IEC/TC

15、49 Piezoelectric and dielectric devices for frequency control and selection“, wurde der IEC-CENELEC Parallelen Abstimmung unterworfen und von CENELEC am 2007-03-01 als EN 60444-9 angenommen. Nachstehende Daten wurden festgelegt: sptestes Datum, zu dem die EN auf nationaler Ebene durch Verffentlichun

16、g einer identischen nationalen Norm oder durch Anerkennung bernommen werden muss (dop): 2007-12-01 sptestes Datum, zu dem nationale Normen, die der EN entgegenstehen, zurckgezogen werden mssen (dow): 2010-03-01 Anerkennungsnotiz Der Text der Internationalen Norm IEC 60444-9:2007 wurde von CENELEC oh

17、ne irgendeine Abnderung als Europische Norm angenommen. EN 60444-9:2007 3 Inhalt SeiteVorwort .2 1 Anwendungsbereich.4 2 berblick 4 3 Messverfahren5 3.1 Verfahren A (vollstndige Bestimmung der Parameter) 5 3.2 Verfahren B (Widerstandsbestimmung).10 Literaturhinweise 14 Bild 1 Allgemeine Zweipol-Ersa

18、tzschaltung fr Mehrfachresonanzen (aus IEC 60444-5) .4 Bild 2 Spektrum von Strmodenfrequenzverlufen.5 Bild 3 Flussdiagramm fr die Suche nach Nebenresonanzen 8 Bild 4 Schaltung der Prfeinrichtung fr Verfahren B .11 Bild 5 Der Abgleich von Cbalfhrt zu einem symmetrischen Frequenzverlauf .12 Bild 6 Ein

19、stellung von Cbalfr einen schwachen Strmode13 EN 60444-9:2007 4 1 Anwendungsbereich Ziel dieser Internationalen Norm ist die Beschreibung zweier Verfahren zur Bestimmung der Strmoden von Schwingquarzresonatoren. Sie erweitert die Mglichkeiten und verbessert die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit im

20、Vergleich zu frheren Verfahren. Die im IEC-Bericht 60283 (1968) Methods for the measurement of frequency and equivalent resistance of unwanted resonances of filter crystal units“ beschriebenen frheren Verfahren beruhten auf der Verwendung einer handelsblich nicht mehr verfgbaren Messbrcke, deren Bau

21、elemente, wie z. B. Stellwiderstnde und ein Ausgleichtransformator, nicht mehr beschaffbar sind. Mit dem Verfahren A (Bestimmung der vollstndigen Parameter) ist die Bestimmung der Ersatzparameter der Nebenresonanzen mglich; es beruht auf dem in IEC 60444-5 beschriebenen Verfahren, bei dem dieselbe M

22、essausrstung verwendet wird. Es ist das Vorzugsverfahren, das fr die Messung von Nebenresonanzen mit niedriger und mittlerer Impedanz bis zu mehreren k eingesetzt werden kann. Das Verfahren B (Widerstandsbestimmung) sollte fr die Bestimmung von Nebenresonanzen mit hoher Impedanz eingesetzt werden, w

23、ie sie z. B. fr bestimmte Filterquarze festgelegt sind. Es wird dieselbe Prfausrstung verwendet wie bei Verfahren A in Verbindung mit einer Prfeinrichtung, die aus kommerziell verfgbaren Mikrowellenbauelementen, wie z. B. einem 180-Hybridkoppler und einem 10-dB-Dmpfungsglied, besteht, die in einer 5

24、0-Umgebung gut definiert sind. Dieses Verfahren bedeutet eine Verbesserung gegenber dem Bezugsverfahren“ der veralteten IEC 60283. 2 berblick Schwingquarze weisen Mehrfachresonanzen auf, die durch eine Parallelschaltung einer Anzahl von Reihen-resonanzkreisen elektrisch dargestellt werden knnen. Die

25、 Zweipol-Ersatzschaltung des vollstndigen Schwingquarzes ist in Bild 1 dargestellt (IEC 60444-5 entnommen). Bild 1 Allgemeine Zweipol-Ersatzschaltung fr Mehrfachresonanzen (aus IEC 60444-5) Die Gesamtadmittanz Ytotder Ersatzschaltung fr n Resonanzmodes ist somit: +=iYCGYi00totj (1) mit ()=+= + + =YG

26、 B R L i nC1iii i ii1j j 1, 2, .,j(2) Index i = 1 gibt den Hauptmode an, whrend i = 2 . n die Nebenresonanzmoden angibt. EN 60444-9:2007 5 Die Strmoden werden als koppelfreie Moden betrachtet. Gekoppelte Moden knnen mittels der beschriebenen Prfverfahren aufgefunden werden, ihre starke Amplitudenabh

27、ngigkeit erlaubt es jedoch nicht, ihre Parameter genau zu bestimmen. Die Nebendmpfung ispura eines Strmodes i ist definiert als das logarithmische Verhltnis (in dB) ihres Widerstandswerts Rizum Widerstand R1des Hauptmodes: =1i10ispurlog20RRa (3) In Bild 2 ist ein typisches Spektrum der Nebenresonanz

28、en eines AT-Schnitt-Schwingquarzes dargestellt, wie es auf einem Spektralanalysator mit einem PI-Netzwerk nach IEC 60444-1 dargestellt ist. Bild 2 Spektrum von Strmodenfrequenzverlufen ANMERKUNG Die mit einem Netzwerkanalysator gemessenen Dmpfungswerte hngen vom Abschlusswiderstand der verwendeten P

29、rfeinrichtung ab (z. B. 25 fr ein PI-Netzwerk nach IEC 60444-1). Sie unterscheiden sich von der nach Gleichung (3) berechneten Nebendmpfung. ANMERKUNG Die mit einem Netzwerkanalysator gemessenen Frequenzen und Dmpfungswerte sind andere, wenn der Quarzresonator an einen Lastkondensator angeschlossen

30、wird. Siehe auch Anmerkung unter 3.2.1.2. 3 Messverfahren Die folgenden Messparameter sind erforderlich und sollten in der Bauartspezifikation angegeben werden: Frequenzbereich der zu bewertenden Nebenresonanzen FRspur; Belastung. Die Auswahl einer geeigneten Mess(Abtast-)zeit ist zu beachten. 3.1 V

31、erfahren A (vollstndige Bestimmung der Parameter) Das Messsystem besteht aus einem PI-Netzwerk oder einer s-Parameter-Prfeinrichtung nach IEC 60444-1 und IEC 60444-5 in Verbindung mit einem Netzwerkanalysator oder einem quivalenten Aufbau. EN 60444-9:2007 6 Die Admittanz des Schwingquarzes wird im f

32、estgelegten Frequenzbereich FRspurgemessen. Die Neben-resonanzen werden mit dem Verfahren der schrittweisen Beseitigung von Resonanzen isoliert. Aus den Admittanzdaten werden die Ersatzschaltungsparameter der verschiedenen Resonanzmoden mit einem der in IEC 60444-5 beschriebenen Bewertungsverfahren

33、berechnet. 3.1.1 Messverfahren Das Verfahren wird in 11)nher beschrieben. Die Messung wird wie folgt durchgefhrt: a) Messung der statischen Kapazitt C0nach IEC 60444-5; b) Messung der Hauptmodeparameter (i = 1) nach IEC 60444-5; es ergeben sich folgende Parameter: Reihenresonanzfrequenz fs= f1= 21El

34、ektrische Ersatzparameter R1, C1und L1und Gtefaktor 11111111RCRLQQ= (4) c) Messung der komplexen Admittanz Yres( f ) im festgelegten Frequenzbereich FRspurMessparameter: Unter der Voraussetzung, dass Q2, Q3. Qn Q1ist, (5) ist die Mindesteinstellzeit tsetfr jede Frequenz: 11setQt = (6) Fr mindestens

35、zwei Datenpunkte in der Resonanzbandbreite betrgt die Mindestanzahl Datenpunkte N: 1spur2QFRN = (7) Die Mindestabtastzeit tswpist dann: tswp= tset N (8) ANMERKUNG Erforderlichenfalls muss der Frequenzabtastbereich FRspur in mehrere Teilintervalle aufgeteilt werden. Es ergeben sich folgende Parameter

36、: Datenbereich der komplexen Admittanz Yres(f), ausgedrckt z. B. als Datenbereich fr den Betrag |Yres(j)|, die Phase res(j) und die Frequenz f(j) mit j = 1, 2, ., N und f(1) = f1, der Frequenz des Hauptmodes. Suche nach Nebenresonanzspitzen Die Suche nach Nebenresonanzen erfordert mehrere Schritte,

37、um die Resonanzspitzen von Rausch-spitzen und von Breitbandantworten zu unterscheiden. Als Verweisung siehe Flussdiagramm in Bild 3. Es sind die rtlichen Maxima von Re(Yres(j) fr benachbarte Datenpunkte (j 1, j, j + 1) festzustellen. 1)Zahlenwerte in eckigen Klammern beziehen sich auf Literaturhinwe

38、ise. EN 60444-9:2007 7 Fr die Analyse wird der Realteil der Admittanz verwendet. Re(Yres(j) = |Yres(j)| cos (res(j) (9) Fr j = 2, ., N 1 werden die Admittanzdaten wie folgt analysiert: Wenn Re(Yres(j) Re(Yres(j 1) und Re(Yres(j) Re(Yres(j + 1) dann ist fpeak= f(j) ein Anwrter fr eine Nebenresonanzsp

39、itze. Es ist zwischen tatschlichen und Scheinspitzen zu unterscheiden. Scheinspitzen infolge Rauschens usw. knnen festgestellt werden, indem ein realistischer Q-Wert der Nebenresonanzen bezogen auf das in Schritt b) bestimmte Q1angenommen wird. Oberer Grenzwert Qmax: Qmax= kmax Q1mit kmax= 2 . 10 (e

40、mpfohlen: kmax= 5) (10) Dann ist die minimale 3-dB-Halbwertsbreite BWminfr eine Nebenresonanzspitze: max1min2 QfBW = (11)Fr jeden Anwrter fr eine Nebenresonanzspitze werden die Datenpunkte untersucht, die |Yres(fpeak)| am nchsten liegen. Wenn die Amplitude an jeder Seite kleiner ist als nach Qmax, (

41、 )()2minpeakrespeakres BWfYfY(12) wird die Spitze noch als Anwrter angesehen. Anderenfalls wird sie als Scheinspitze angesehen. Unterer Grenzwert Qmin: Qmin= kmin Q1mit kmin= 0,1 . 0,5 (empfohlen: kmin= 0,2) (13) Dann ist die maximale 3-dB-Halbwertsbreite BWmaxfr eine Nebenresonanzspitze: min1max2 Q

42、fBW = (14)Fr jeden Anwrter fr eine Nebenresonanzspitze werden die Datenpunkte untersucht, die |Yres(fpeak)| am nchsten liegen. Wenn die Amplitude an jeder Seite grer ist als nach Qmin, ( )()2maxpeakrespeakres BWfYfY(15) wird die Spitze noch als wahre Nebenresonanzspitze angesehen. Anderenfalls wird

43、sie als Schein-spitze angesehen. EN 60444-9:2007 8 Es ergeben sich folgende Parameter: n 1 Nebenresonanzfrequenzen imf(i = 2 . n) ANMERKUNG Sind Nebenresonanzen zu betrachten, die sehr dicht an starken Moden liegen, wird empfohlen, anstelle der 3-dB-Halbwertsbreite die 1-dB-Halbwertsbreite zu verwen

44、den. In obigen Gleichungen muss der Term 2 durch den Faktor 1,122 ersetzt und mssen die Werte fr BWmaxund BWminentsprechend gendert werden. Bild 3 Flussdiagramm fr die Suche nach Nebenresonanzen EN 60444-9:2007 9 d) Zoomen der festgestellten Nebenresonanzen Fr jede der in Schritt c) festgestellten w

45、ahren Nebenspitzen fspur(i) wird durch Zoomen der Frequenz-intervalle fspur(i) BWmaxmit mindestens Ni= 11 Datenpunkten je Abtastintervall und einer Mindest-abtastzeit tswpvon QQtkmin maxswpmin 110(16) eine neue Reihe von Admittanzdaten gewonnen. Es ergeben sich folgende Parameter: Datenbereich der A

46、dmittanz fr jede Nebenresonanz )(irawfY , ausgedrckt durch die Datenbereiche der Amplitude | )(iresjY |, der Phase arg ires(Y (j) und der Frequenz fi(j) mit i = 2 . n und j = 1 . 11. e) Beseitigung der Admittanzen des Hauptmodes (i = 1) und von C0Von jedem Satz Ausgangsadmittanzen )(irawfY werden de

47、r Beitrag des Hauptmodes und der statischen Kapazitt C0subtrahiert. )(iresfY = )(irawfY Y1(f) Y0(f) (i = 2 . n) (17) mit ()11ii1j1j+=CLRfY (18) Y0(f) = jC0(19) = 2f (20)Es ergeben sich folgende Parameter: Datenbereiche von Admittanzen fr jede Nebenresonanz )(iresfY , ausgedrckt durch die Datenbereic

48、he der Amplitude | )(iresjY |, der Phase arg ( )(iresjY ) und der Frequenz fi(j) mit i = 2 . n und j = 1 . 11. f) Berechnung der Reihenresonanzfrequenz und der Ersatzparameter des strksten (verbleibenden) Modes Es wird der strkste (verbleibende) Mode ausgewhlt. Das ist der k-te Mode, bei dem der Maximalwert des Realteils ( )( )( )fYiresRemax am grten ist. Berechnung seiner Reihenresonanzfrequenz ksf , seiner Bewegungsparameter Rk, Ckund Lkund seines Q-Faktors Qkaus )(kresfY wie in IEC 60444-5. Es ergeben sich folgende Parameter: Serienresonanzfrequenz ksf , Bewegungsparameter Rk, C