晶振，是電路中重要的電子元件，控制著(zhù)系統運行的節拍?；诓煌膽脠?chǎng)景，晶振有多種類(lèi)型，無(wú)源晶振是其中價(jià)格便宜而又應用廣泛的一種。在使用示波器測量無(wú)源晶振輸出頻率時(shí)，常常會(huì )發(fā)現晶振有輸出無(wú)信號、晶振不起振等異常情況。本文就此情況略談一二。

 

 

 

 

1.無(wú)源晶振簡(jiǎn)介

 

無(wú)源晶振，準確來(lái)說(shuō)應叫Crystal(晶體)，有源晶振則叫Oscillator(振蕩器)。無(wú)源晶振是在石英晶片的兩端鍍上電極而成，其兩管腳是無(wú)極性的。無(wú)源晶振自身無(wú)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：晶片兩端的電場(chǎng)與機械形變會(huì )互相轉化。當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)強度最大，這稱(chēng)為壓電諧振，類(lèi)似與LC回路的諧振。

 

圖 1 石英晶體的電路符號、等效電路、電抗特性及外圍電路圖

 

由于晶體為無(wú)源器件，其對外圍電路的參數較為敏感，尤其為負載電容。根據晶體的手冊，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(chēng)作匹配電容，是接在晶振的兩個(gè)腳上的對地電容，其作用就是調節負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(
 

 

）才是有效的負載電容部分。Cic：芯片引腳分布電容以及芯片內部電容?！鰿：PCB走線(xiàn)分布電容，經(jīng)驗值為3至5pF。

 

 

 

在某項目上使用到的一款32.768kHz無(wú)源晶振，手冊中負載電容推薦值為12.5pF?？梢?jiàn)此值較為細小，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，都是測量系統的一部分，其正確使用與否很大影響著(zhù)測試結果。當探頭的探針點(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(chēng)為探頭的負載效應。這種負載效應一般簡(jiǎn)化為電阻與電容的并聯(lián)。在帶寬500MHz以下的示波器，一般標配是1倍衰減或10倍衰減的無(wú)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)的參數差異

 

可見(jiàn)探頭的輸入電容，比晶體手冊的負載電容要大。探頭的介入，必定大大影響到原已參數優(yōu)化好的電路，從而嚴重影響晶體電路的起振。兩害相權取其輕，測量無(wú)源晶振時(shí)應優(yōu)先選用10倍衰減探頭。若10倍衰減探頭的寄生參數還是過(guò)大，可以考慮選用有源高壓差分探頭，其負載參數優(yōu)化得非常小，如Lecroy的ZP1000探頭，輸入阻抗可達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。

 

某些時(shí)鐘芯片帶clock out功能，此功能是buffer晶體的信號，其管腳的輸出是有很強大的驅動(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，可以使用計時(shí)器對此信號作分頻處理，然后將分頻后的信號輸出到管腳。這樣我們只需測量分頻后的信號，即可計算出原有時(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的幅度。若能在設備的工況范圍都測試其頻率的準確性，那晶體電路的工作就是OK的。

 

圖 3 使用芯片的緩沖功能、計數器功能來(lái)測量

 

若信號驅動(dòng)能力很強，可以考慮非接觸的測試方案：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，即可測得峰值電壓處的頻率。由于為非接觸方案，不存在探頭的負載效應，不過(guò)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、頻率參數測量、上升沿參數測量等方法。

 

硬件頻率計在實(shí)現時(shí)，有測周期與測脈沖數的算法。這兩種不同的測試方法，是會(huì )因應輸入信號的頻率大小而選擇的，以期待測量值更準確。當信號頻率小時(shí)，會(huì )選用測周期的方法，把信號的周期測好了，周期的倒數就是頻率，此方法誤差源在于測周期的計時(shí)時(shí)鐘的頻率;當信號頻率大時(shí)，會(huì )選用測脈沖數的方法，在標準時(shí)間內測出信號上升沿的個(gè)數，此方法的誤差是標準時(shí)間內的選定問(wèn)題。

 

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

 

在參數測量的統計參數中，有“上升沿計數”的方法，其原理是測量上升沿的個(gè)數。在測試中，可以將測量范圍選擇光標區域，而光標范圍設為200ms，這樣測得的上升沿乘以5，即為信號頻率。

 

圖 4 頻率、上升沿計數測量界面圖

 

選用信號發(fā)生器輸出不同頻率的信號，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(jiàn)三者測量結果差異不大，硬件頻率計的分辨率更高，而參數測量中有效位數只有5位。此信號發(fā)生器輸出頻率的準確度為±1ppm，示波器內部晶振的頻率準確度為±2ppm，在上述的24MHz硬件頻率計中，測量的準確度為80Hz/24MHz=3.33ppm，基本在儀器的測量精度內。參數測量值在某些情況下顯得更接近真實(shí)值，這是因為其有效位數不夠而四舍五入的原因，準確度更高的還是硬件頻率計。

 

5.小結

 

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