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无源晶振的频率该如何测量


  来源: 致远电子 时间:2019-01-17 编辑:思杨
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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。




1.无源晶振简介

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。



图 1 石英晶体的电路符号、等效电路、电抗特性及外围电路图


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走线分布电容,经验值为3至5pF。

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。


2.探头的影响

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:



图 2 ZP1025SA 1倍、10倍衰减时的参数差异


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。


3.选择合适的测量点

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。

关键词:示波器 电子元件 电路    浏览量:545

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