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      如何用示波器測量無源晶振的輸出頻率

      時間:2019-01-17 15:31:13來源:網絡 作者:admin 點擊:
      晶振,是電路中重要的電子元件,控制著系統運行的節拍。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,常常會發現晶振

      晶振,是電路中重要的電子元件,控制著系統運行的節拍。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,常常會發現晶振有輸出無信號、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聯:

      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部電容。

      △C:PCB走線分布電容,經驗值為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?梢姶酥递^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。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優化好的電路,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先選用10倍衰減探頭。若10倍衰減探頭的寄生參數還是過大,可以考慮選用有源高壓差分探頭,其負載參數優化得非常小,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動能力的,因此可以直接使用探頭測量。

      晶體發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、計數器功能來測量

      若信號驅動能力很強,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、頻率參數測量、上升沿參數測量等方法。

      硬件頻率計在實現時,有測周期與測脈沖數的算法。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,會選用測脈沖數的方法,在標準時間內測出信號上升沿的個數,此方法的誤差是標準時間內的選定問題。

      在參數測量的時間參數中,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頻率,受限于當前采樣點的采樣率。容-源-電-子-網-為你提供技術支持

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