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如何測(cè)量無源晶振的頻率?

發(fā)布時(shí)間:2019-01-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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(chǎng)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(cè)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。
 
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(chǎng)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(cè)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。
 
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
 
 
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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度最大,這稱為壓電諧振,類似與LC回路的諧振。
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
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(duì)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(cè),我們得知測(cè)試電路中有推薦電容,此電容對(duì)晶體是否起振大有關(guān)聯(lián):
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
 
Cg、Cg稱作匹配電容,是接在晶振的兩個(gè)腳上的對(duì)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(
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
 
)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的一部分,其正確使用與否很大影響著測(cè)試結(jié)果。當(dāng)探頭的探針點(diǎn)擊測(cè)量點(diǎn)時(shí),探頭的接入會(huì)對(duì)被測(cè)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:
 
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
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(cè)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(cè)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(cè)量點(diǎn)
 
既然晶體兩端非常敏感,不便于接上探頭測(cè)量,那可以換一種思路,在其他地方測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)試的方法,只能測(cè)試晶體的頻率,不能測(cè)量晶體輸出信號(hào)的幅度。若能在設(shè)備的工況范圍都測(cè)試其頻率的準(zhǔn)確性,那晶體電路的工作就是OK的。
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
圖 3 使用芯片的緩沖功能、計(jì)數(shù)器功能來測(cè)量
 
若信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng),可以考慮非接觸的測(cè)試方案:近場(chǎng)探頭。近場(chǎng)探頭配合頻譜儀,或示波器的FFT分析功能,即可測(cè)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(cè)量結(jié)果的步進(jìn)、精度。
 
4.Tip:如何測(cè)量頻率
 
在捕捉到晶體的輸出信號(hào)后,該如何測(cè)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(cè)量、上升沿參數(shù)測(cè)量等方法。
 
硬件頻率計(jì)在實(shí)現(xiàn)時(shí),有測(cè)周期與測(cè)脈沖數(shù)的算法。這兩種不同的測(cè)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(cè)量值更準(zhǔn)確。當(dāng)信號(hào)頻率小時(shí),會(huì)選用測(cè)周期的方法,把信號(hào)的周期測(cè)好了,周期的倒數(shù)就是頻率,此方法誤差源在于測(cè)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(cè)脈沖數(shù)的方法,在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)測(cè)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(cè)量的時(shí)間參數(shù)中,有“頻率”這測(cè)試項(xiàng)。此測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量上升沿的個(gè)數(shù)。在測(cè)試中,可以將測(cè)量范圍選擇光標(biāo)區(qū)域,而光標(biāo)范圍設(shè)為200ms,這樣測(cè)得的上升沿乘以5,即為信號(hào)頻率。
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
圖 4 頻率、上升沿計(jì)數(shù)測(cè)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(cè)得頻率如表 1所示。
 
表 1 不同測(cè)量方法測(cè)出的頻率對(duì)比表
 
 
如何測(cè)量無源晶振的頻率?
 
 
可見三者測(cè)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(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確度為80Hz/24MHz=3.33ppm,基本在儀器的測(cè)量精度內(nèi)。參數(shù)測(cè)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(duì)負(fù)載敏感的無源晶振信號(hào)的測(cè)量做了簡約的分析,闡述了探頭的接入對(duì)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。
 
 
 
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