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如何用示波器测量无源晶振的输出频率

ZLG致远电子 来源:cc 2019-01-16 16:17 次阅读

晶振,是电路中重要的电子元件,控制着系统运行的节拍。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,那么如何用示波器测量无源晶振的输出频率?

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((C_d*C_g)/(C_d+C_g ))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。

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。

图3 使用芯片的缓冲功能、计数器功能来测量

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。

4 Tip:如何测量频率

在捕捉到晶体的输出信号后,该如何测量其频率呢?在ZLG致远电子的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。

图4 频率、上升沿计数测量界面图

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。

表1 不同测量方法测出的频率对比表

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。

5 小结

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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    有多种类型,是其中价格便宜而又应用广泛的一种。在使用示波器测量输出频率时,常常会发现输出
    的头像 发表于 02-20 00:25 5913次阅读
    如<b>何用</b><b>示波器</b><b>测量</b><b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>的<b>输出</b><b>频率</b>

    如何区分有源?区别是什么?

    转自 |EDA365电子论坛 在PCB设计中,(晶体振荡器)是非常重要的电子元器件,相信大部分的PCB工程师对它都不会陌生。而对于有源,很多人却是傻傻分不清楚。 我们知道,电子线路
    的头像 发表于 11-19 18:11 3.9w次阅读

    有源,很多人“傻傻分不清楚”

    我们知道,电子线路中的晶体振荡器分为和有源两种类型。与有源的英文名称不同,为crystal(晶体),而有
    的头像 发表于 11-20 16:34 1.1w次阅读
    有源<b>晶</b><b>振</b>与<b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>,很多人“傻傻分不清楚”

    有源可以互换吗?

    称为晶体振荡器。有源不需要DSP的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,连接方式也简单。有源脚位接法为:1脚悬空,2脚接地,3脚输出,4脚电压。也称为晶体谐振器,脚位通常以2脚跟4脚
    的头像 发表于 06-17 17:08 6005次阅读
    有源<b>晶</b><b>振</b>和<b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>可以互换吗?

    购买时要注意哪些问题?

    细节做工在购买产品时要区分和有源的区别,因为只是具有两个引脚的无极性元件(输入端、输出端),不需要直接连接供电电源,可以适应多种电压,所以
    的头像 发表于 02-26 01:24 19次阅读
    购买<b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>时要注意哪些问题?

    一文教你分辨有源与

    有源的区别
    的头像 发表于 03-01 10:34 57次阅读
    一文教你分辨有源与<b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>

    有源的区别

    :其本身是一个晶体不能振荡,需依靠配合其他IC内部振荡电路工作。
    的头像 发表于 04-28 11:53 2124次阅读

    【干货好文】的负载电容到底该怎么选?

    的设计中,有源到底该如何选取呢?跟着我们的视频来了解一下吧!频率到底该怎么测?频偏该如何测量示波器测量有哪些缺点?测量
    的头像 发表于 05-08 01:30 10次阅读
    【干货好文】<b>晶</b><b>振</b>的负载电容到底该怎么选?

    的负载电容到底该怎么选?

    的设计中,有源到底该如何选取呢?跟着我们的视频来了解一下吧!频率到底该怎么测?频偏该如何测量示波器测量有哪些缺点?测量
    的头像 发表于 05-11 00:55 17次阅读
    <b>晶</b><b>振</b>的负载电容到底该怎么选?

    与有源的结构区别图解

    与有源的结构区别
    的头像 发表于 07-19 16:50 4189次阅读
    <b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>与有源<b>晶</b><b>振</b>的结构区别图解

    与有源的相关介绍

    是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来,需要用DSP片内的振荡器,在datasheet上有建议的连接方法。
    的头像 发表于 08-19 16:31 1148次阅读
    <b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>与有源<b>晶</b><b>振</b>的相关介绍

    的负载电容是什么?的负载电容到底该怎么选?

    我们的设计中,有源到底该如何选取呢?跟着我们的视频来了解一下吧!       频率到底该怎么测? 频偏该如何测量示波器测量有哪些缺点?
    的头像 发表于 09-15 11:28 893次阅读

    的负载电容怎么选

    分为和有源,而有源又分为普通时钟振荡器,压控,温补,恒温。在选择合适的型号前,需要了解一下不同类型的有什么特点。
    的头像 发表于 09-16 16:41 1091次阅读

    一图搞懂有源的12点区别

    是在电路中提供频率基准的被动元器件, 它能产生频率高度稳定的交流信号,使得电路工作在一个稳定的频率范围内 ,广泛应用于汽车、数字、电子等行业。 可分为有源
    的头像 发表于 01-10 09:05 581次阅读

    有正负极吗?和有源的区别

    (KX系列)是被动元件,需要匹配外部谐振电路才可以输出振动信号,自身无法振荡。
    的头像 发表于 01-13 13:52 1320次阅读

    如何区分有源

    参考电路信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路也需要做相应的调整。一般建议采用精度较高的石英晶体,尽可能不要采用精度低的陶瓷晶体。
    的头像 发表于 02-01 10:37 810次阅读

    为什么需要电容才能起呢?

    为了满足谐振条件让振起正常工作,电路还需要两个电容。其电路设计可以参考皮尔斯振荡器电路。
    的头像 发表于 03-08 14:25 781次阅读

    的方向要如何区分?

    方向要怎么分辨?贴反会有问题吗?客户经常会问这个问题。
    的头像 发表于 03-20 15:50 366次阅读

    【元器件知识】一图搞懂有源的12点区别

    是在电路中提供频率基准的被动元器件, 它能产生频率高度稳定的交流信号,使得电路工作在一个稳定的频率范围内 ,广泛应用于汽车、数字、电子等行业。 可分为有源
    的头像 发表于 03-24 20:10 132次阅读

    怎么测量有源的波形?

    输出波形为正弦波;有源输出波形为正弦波或方波。有源本身是正弦波输出波形,内部增加整形电路,输出后的波形为方波。
    发表于 04-17 16:26 32次阅读

    LOTO示波器实测

    我们用LOTO示波器的多个型号,带宽从20M到100M,分别测和有源的情况。分别测试了12M,15M,24M,48M,80M的波形。并分析了为什么我们经常测出波形不是方波
    的头像 发表于 05-27 10:33 0次阅读
    LOTO<b>示波器</b>实测<b>晶</b><b>振</b>

    有源的不同-先盘6点~

    个电源,一个接地,一个信号输出端,一个NC(空脚)。有个点标记的为1脚,按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。图2有源2、有源与的内部构造内部
    的头像 发表于 06-23 11:32 0次阅读
    有源<b>晶</b><b>振</b><b>无</b><b>源</b><b>晶</b><b>振</b>的不同-先盘6点~

    /有源的疑问

    经常有客户分不清和有源,甚至在提供的参数上两者矛盾,例如有源的参数竟然有两脚,竟然有电压?那么问题错在哪里了,
    的头像 发表于 11-04 11:28 0次阅读
    对<b>无</b><b>源</b>/有源<b>晶</b><b>振</b>的疑问

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