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技术文章——无源晶振的频率测量方法

归档日期:07-06       文本归类:工作频率      文章编辑:爱尚语录

  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,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。

  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pF。

  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,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:

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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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