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2019年01月16日 | 技术文章——无源晶振的频率测量方法
2019-01-16
晶振，是电路中重要的电子元件，控制着系统运行的节拍。基于不同的应用场景，晶振有多种类型，无源晶振是其中价格便宜而又应用广泛的一种。在使用示波器测量无源晶振输出频率时，常常会发现晶振有输出无信号、晶振不起振等异常情况。本文就此情况略谈一二。
无源晶振简介
无源晶振，准确来说应叫Crystal（晶体），有源晶振则叫Oscillator（振荡器）。无源晶振是在石英晶片的两端镀上电极而成，其两管脚是无极性的。无源晶振自身无法震荡，在工作时需要搭配外围电路。在一定条件下，石英晶片会产生压电效应：晶片两端的电场与机械形变会互相转化。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，晶体产生的振动和电场强度最大，这称为压电谐振，类似与LC回路的谐振。
图 1 石英晶体的电路符号、等效电路、电抗特性及外围电路图
由于晶体为无源器件，其对外围电路的参数较为敏感，尤其为负载电容。根据晶体的手册，我们得知测试电路中有推荐电容，此电容对晶体是否起振大有关联：
Cg、Cg称作匹配电容，是接在晶振的两个脚上的对地电容，其作用就是调节负载电容使其与晶振的要求相一致，需要注意的是Cg、Cg串联后的总电容值（
）才是有效的负载电容部分。Cic：芯片引脚分布电容以及芯片内部电容。△C：PCB走线分布电容，经验值为3至5pF。
在某项目上使用到的一款32.768kHz无源晶振，手册中负载电容推荐值为12.5pF。可见此值较为细小，微小的变化足以影响电路特性。
探头的影响
探头，其实跟示波器一样，都是测量系统的一部分，其正确使用与否很大影响着测试结果。当探头的探针点击测量点时，探头的接入会对被测电路造成影响，这被称为探头的负载效应。这种负载效应一般简化为电阻与电容的并联。在带宽500MHz以下的示波器，一般标配是1倍衰减或10倍衰减的无源探头，某些探头的衰减比可手动选择。不同衰减比的探头在带宽、输入电阻、输入电容上面都有差异：
图 2 ZP1025SA 1倍、10倍衰减时的参数差异
可见探头的输入电容，比晶体手册的负载电容要大。探头的介入，必定大大影响到原已参数优化好的电路，从而严重影响晶体电路的起振。两害相权取其轻，测量无源晶振时应优先选用10倍衰减探头。若10倍衰减探头的寄生参数还是过大，可以考虑选用有源高压差分探头，其负载参数优化得非常小，如Lecroy的ZP1000探头，输入阻抗可达0.9pF、1M欧姆。
选择合适的测量点
既然晶体两端非常敏感，不便于接上探头测量，那可以换一种思路，在其他地方测量该信号。
某些时钟芯片带clock out功能，此功能是buffer晶体的信号，其管脚的输出是有很强大的驱动能力的，因此可以直接使用探头测量。
晶体发出的时钟输入到处理器中，可以使用计时器对此信号作分频处理，然后将分频后的信号输出到管脚。这样我们只需测量分频后的信号，即可计算出原有时钟的频率。
这种间接测试的方法，只能测试晶体的频率，不能测量晶体输出信号的幅度。若能在设备的工况范围都测试其频率的准确性，那晶体电路的工作就是OK的。
图 3 使用芯片的缓冲功能、计数器功能来测量
若信号驱动能力很强，可以考虑非接触的测试方案：近场探头。近场探头配合频谱仪，或示波器的FFT分析功能，即可测得峰值电压处的频率。由于为非接触方案，不存在探头的负载效应，不过需注意此时频谱仪、FFT分析的频率分辨率，这会影响测量结果的步进、精度。
Tip：如何测量频率
在捕捉到晶体的输出信号后，该如何测量其频率呢？在我司的ZDS系列示波器中，可以选择硬件频率计、频率参数测量、上升沿参数测量等方法。
硬件频率计在实现时，有测周期与测脉冲数的算法。这两种不同的测试方法，是会因应输入信号的频率大小而选择的，以期待测量值更准确。当信号频率小时，会选用测周期的方法，把信号的周期测好了，周期的倒数就是频率，此方法误差源在于测周期的计时时钟的频率；当信号频率大时，会选用测脉冲数的方法，在标准时间内测出信号上升沿的个数，此方法的误差是标准时间内的选定问题。
在参数测量的时间参数中，有“频率”这测试项。此测试项是求得两上升沿之间的时间差，再求倒数得到频率。此测试项的误差在于上升沿的判定与周期计时频率，受限于当前采样点的采样率。
在参数测量的统计参数中，有“上升沿计数”的方法，其原理是测量上升沿的个数。在测试中，可以将测量范围选择光标区域，而光标范围设为200ms，这样测得的上升沿乘以5，即为信号频率。
图 4 频率、上升沿计数测量界面图
选用信号发生器输出不同频率的信号，使用上述三种方法测得频率如表 1所示。
表 1 不同测量方法测出的频率对比表
可见三者测量结果差异不大，硬件频率计的分辨率更高，而参数测量中有效位数只有5位。此信号发生器输出频率的准确度为±1ppm，示波器内部晶振的频率准确度为±2ppm，在上述的24MHz硬件频率计中，测量的准确度为80Hz/24MHz=3.33ppm，基本在仪器的测量精度内。参数测量值在某些情况下显得更接近真实值，这是因为其有效位数不够而四舍五入的原因，准确度更高的还是硬件频率计。
小结
本文就对负载敏感的无源晶振信号的测量做了简约的分析，阐述了探头的接入对电路负载效应的影响，这种影响同样也适用于输出阻抗很大的电路。
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