如何用示波器測量無源晶振的輸出頻率

 晶振，是電路中重要的電子元件，控制著系統(tǒng)運行的節(jié)拍。晶振有多種類型，無源晶振是其中價格便宜而又應用廣泛的一種。在使用示波器測量無源晶振輸出頻率時，常常會發(fā)現(xiàn)晶振有輸出無信號、晶振不起振等異常情況，那么如何用示波器測量無源晶振的輸出頻率?

1無源晶振簡介

無源晶振，準確來說應叫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，在工作時需要搭配外圍電路。在一定條件下，石英晶片會產(chǎn)生壓電效應：晶片兩端的電場與機械形變會互相轉化。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，晶體產(chǎn)生的振動和電場強度最大，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、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聯(lián)：

Cg、Cg稱作匹配電容，是接在晶振的兩個腳上的對地電容，其作用就是調(diào)節(jié)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((C_d*C_g)/(C_d+C_g ))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(nèi)部電容。

△C：PCB走線分布電容，經(jīng)驗值為3至5pF。

在某項目上使用到的一款32.768kHz無源晶振，手冊中負載電容推薦值為12.5pF。可見此值較為細小，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果。當探頭的探針點擊測量點時，探頭的接入會對被測電路造成影響，這被稱為探頭的負載效應。這種負載效應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倍衰減時的參數(shù)差異

可見探頭的輸入電容，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(shù)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，測量無源晶振時應優(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，其負載參數(shù)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

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(qū)動能力的，因此可以直接使用探頭測量。

晶體發(fā)出的時鐘輸入到處理器中，可以使用計時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(shù)器功能來測量

若信號驅(qū)動能力很強，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，不存在探頭的負載效應，不過需注意此時頻譜儀、FFT分析的頻率分辨率，這會影響測量結果的步進、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ZLG致遠電子的ZDS系列示波器中，可以選擇硬件頻率計、頻率參數(shù)測量、上升沿參數(shù)測量等方法。

硬件頻率計在實現(xiàn)時，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，會選用測周期的方法，把信號的周期測好了，周期的倒數(shù)就是頻率，此方法誤差源在于測周期的計時時鐘的頻率;當信號頻率大時，會選用測脈沖數(shù)的方法，在標準時間內(nèi)測出信號上升沿的個數(shù)，此方法的誤差是標準時間內(nèi)的選定問題。

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

在參數(shù)測量的統(tǒng)計參數(shù)中，有“上升沿計數(shù)”的方法，其原理是測量上升沿的個數(shù)。在測試中，可以將測量范圍選擇光標區(qū)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(shù)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

可見三者測量結果差異不大，硬件頻率計的分辨率更高，而參數(shù)測量中有效位數(shù)只有5位。此信號發(fā)生器輸出頻率的準確度為±1ppm，示波器內(nèi)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(nèi)。參數(shù)測量值在某些情況下顯得更接近真實值，這是因為其有效位數(shù)不夠而四舍五入的原因，準確度更高的還是硬件頻率計。