晶振，是電路中重要的電子元件，控制著系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)拍?；诓煌膽?yīng)用場景，晶振有多種類型，無源晶振是其中價(jià)格便宜而又應(yīng)用廣泛的一種。在使用示波器測量無源晶振輸出頻率時(shí)，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)晶振有輸出無信號(hào)、晶振不起振等異常情況。本文就此情況略談一二。

 

 

 

 

1.無源晶振簡介

 

無源晶振，準(zhǔn)確來說應(yīng)叫Crystal(晶體)，有源晶振則叫Oscillator(振蕩器)。無源晶振是在石英晶片的兩端鍍上電極而成，其兩管腳是無極性的。無源晶振自身無法震蕩，在工作時(shí)需要搭配外圍電路。在一定條件下，石英晶片會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)：晶片兩端的電場與機(jī)械形變會(huì)互相轉(zhuǎn)化。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時(shí)，晶體產(chǎn)生的振動(dòng)和電場強(qiáng)度最大，這稱為壓電諧振，類似與LC回路的諧振。

 

圖 1 石英晶體的電路符號(hào)、等效電路、電抗特性及外圍電路圖

 

由于晶體為無源器件，其對外圍電路的參數(shù)較為敏感，尤其為負(fù)載電容。根據(jù)晶體的手冊，我們得知測試電路中有推薦電容，此電容對晶體是否起振大有關(guān)聯(lián)：

 

 

Cg、Cg稱作匹配電容，是接在晶振的兩個(gè)腳上的對地電容，其作用就是調(diào)節(jié)負(fù)載電容使其與晶振的要求相一致，需要注意的是Cg、Cg串聯(lián)后的總電容值(
 

 

）才是有效的負(fù)載電容部分。Cic：芯片引腳分布電容以及芯片內(nèi)部電容。△C：PCB走線分布電容，經(jīng)驗(yàn)值為3至5pF。

 

 

 

在某項(xiàng)目上使用到的一款32.768kHz無源晶振，手冊中負(fù)載電容推薦值為12.5pF。可見此值較為細(xì)小，微小的變化足以影響電路特性。

 

2.探頭的影響

 

探頭，其實(shí)跟示波器一樣，都是測量系統(tǒng)的一部分，其正確使用與否很大影響著測試結(jié)果。當(dāng)探頭的探針點(diǎn)擊測量點(diǎn)時(shí)，探頭的接入會(huì)對被測電路造成影響，這被稱為探頭的負(fù)載效應(yīng)。這種負(fù)載效應(yīng)一般簡化為電阻與電容的并聯(lián)。在帶寬500MHz以下的示波器，一般標(biāo)配是1倍衰減或10倍衰減的無源探頭，某些探頭的衰減比可手動(dòng)選擇。不同衰減比的探頭在帶寬、輸入電阻、輸入電容上面都有差異：
 

 

圖 2 ZP1025SA 1倍、10倍衰減時(shí)的參數(shù)差異

 

可見探頭的輸入電容，比晶體手冊的負(fù)載電容要大。探頭的介入，必定大大影響到原已參數(shù)優(yōu)化好的電路，從而嚴(yán)重影響晶體電路的起振。兩害相權(quán)取其輕，測量無源晶振時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用10倍衰減探頭。若10倍衰減探頭的寄生參數(shù)還是過大，可以考慮選用有源高壓差分探頭，其負(fù)載參數(shù)優(yōu)化得非常小，如Lecroy的ZP1000探頭，輸入阻抗可達(dá)0.9pF、1M歐姆。

 

3.選擇合適的測量點(diǎn)

 

既然晶體兩端非常敏感，不便于接上探頭測量，那可以換一種思路，在其他地方測量該信號(hào)。

 

某些時(shí)鐘芯片帶clock out功能，此功能是buffer晶體的信號(hào)，其管腳的輸出是有很強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力的，因此可以直接使用探頭測量。

 

晶體發(fā)出的時(shí)鐘輸入到處理器中，可以使用計(jì)時(shí)器對此信號(hào)作分頻處理，然后將分頻后的信號(hào)輸出到管腳。這樣我們只需測量分頻后的信號(hào)，即可計(jì)算出原有時(shí)鐘的頻率。

 

這種間接測試的方法，只能測試晶體的頻率，不能測量晶體輸出信號(hào)的幅度。若能在設(shè)備的工況范圍都測試其頻率的準(zhǔn)確性，那晶體電路的工作就是OK的。

 

圖 3 使用芯片的緩沖功能、計(jì)數(shù)器功能來測量

 

若信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，可以考慮非接觸的測試方案：近場探頭。近場探頭配合頻譜儀，或示波器的FFT分析功能，即可測得峰值電壓處的頻率。由于為非接觸方案，不存在探頭的負(fù)載效應(yīng)，不過需注意此時(shí)頻譜儀、FFT分析的頻率分辨率，這會(huì)影響測量結(jié)果的步進(jìn)、精度。

 

4.Tip：如何測量頻率

 

在捕捉到晶體的輸出信號(hào)后，該如何測量其頻率呢?在我司的ZDS系列示波器中，可以選擇硬件頻率計(jì)、頻率參數(shù)測量、上升沿參數(shù)測量等方法。

 

硬件頻率計(jì)在實(shí)現(xiàn)時(shí)，有測周期與測脈沖數(shù)的算法。這兩種不同的測試方法，是會(huì)因應(yīng)輸入信號(hào)的頻率大小而選擇的，以期待測量值更準(zhǔn)確。當(dāng)信號(hào)頻率小時(shí)，會(huì)選用測周期的方法，把信號(hào)的周期測好了，周期的倒數(shù)就是頻率，此方法誤差源在于測周期的計(jì)時(shí)時(shí)鐘的頻率;當(dāng)信號(hào)頻率大時(shí)，會(huì)選用測脈沖數(shù)的方法，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)測出信號(hào)上升沿的個(gè)數(shù)，此方法的誤差是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)的選定問題。

 

在參數(shù)測量的時(shí)間參數(shù)中，有“頻率”這測試項(xiàng)。此測試項(xiàng)是求得兩上升沿之間的時(shí)間差，再求倒數(shù)得到頻率。此測試項(xiàng)的誤差在于上升沿的判定與周期計(jì)時(shí)頻率，受限于當(dāng)前采樣點(diǎn)的采樣率。

 

在參數(shù)測量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)中，有“上升沿計(jì)數(shù)”的方法，其原理是測量上升沿的個(gè)數(shù)。在測試中，可以將測量范圍選擇光標(biāo)區(qū)域，而光標(biāo)范圍設(shè)為200ms，這樣測得的上升沿乘以5，即為信號(hào)頻率。

 

圖 4 頻率、上升沿計(jì)數(shù)測量界面圖

 

選用信號(hào)發(fā)生器輸出不同頻率的信號(hào)，使用上述三種方法測得頻率如表 1所示。

 

表 1 不同測量方法測出的頻率對比表

 

 

 

 

可見三者測量結(jié)果差異不大，硬件頻率計(jì)的分辨率更高，而參數(shù)測量中有效位數(shù)只有5位。此信號(hào)發(fā)生器輸出頻率的準(zhǔn)確度為±1ppm，示波器內(nèi)部晶振的頻率準(zhǔn)確度為±2ppm，在上述的24MHz硬件頻率計(jì)中，測量的準(zhǔn)確度為80Hz/24MHz=3.33ppm，基本在儀器的測量精度內(nèi)。參數(shù)測量值在某些情況下顯得更接近真實(shí)值，這是因?yàn)槠溆行粩?shù)不夠而四舍五入的原因，準(zhǔn)確度更高的還是硬件頻率計(jì)。

 

5.小結(jié)

 

本文就對負(fù)載敏感的無源晶振信號(hào)的測量做了簡約的分析，闡述了探頭的接入對電路負(fù)載效應(yīng)的影響，這種影響同樣也適用于輸出阻抗很大的電路。