無(wú)源晶振的頻率該如何測量

　　晶振，是電路中重要的電子元件，控制著(zhù)系統運行的節拍?；诓煌膽脠?chǎng)景，晶振有多種類(lèi)型，無(wú)源晶振是其中價(jià)格便宜而又應用廣泛的一種。在使用示波器測量無(wú)源晶振輸出頻率時(shí)，常常會(huì )發(fā)現晶振有輸出無(wú)信號、晶振不起振等異常情況。本文就此情況略談一二。

　　1.無(wú)源晶振簡(jiǎn)介

　　無(wú)源晶振，準確來(lái)說(shuō)應叫Crystal(晶體)，有源晶振則叫Oscillator(振蕩器)。無(wú)源晶振是在石英晶片的兩端鍍上電極而成，其兩管腳是無(wú)極性的。無(wú)源晶振自身無(wú)法震蕩，在工作時(shí)需要搭配外圍電路。在一定條件下，石英晶片會(huì )產(chǎn)生壓電效應：晶片兩端的電場(chǎng)與機械形變會(huì )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(shí)，晶體產(chǎn)生的振動(dòng)和電場(chǎng)強度最大，這稱(chēng)為壓電諧振，類(lèi)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(wú)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(guān)聯(lián)：

　　Cg、Cg稱(chēng)作匹配電容，是接在晶振的兩個(gè)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(lián)后的總電容值()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?！鰿：PCB走線(xiàn)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(wú)源晶振，手冊中負載電容推薦值為12.5pF?？梢?jiàn)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(shí)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(zhù)測試結果。當探頭的探針點(diǎn)擊測量點(diǎn)時(shí)，探頭的接入會(huì )對被測電路造成影響，這被稱(chēng)為探頭的負載效應。這種負載效應一般簡(jiǎn)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(wú)源探頭，某些探頭的衰減比可手動(dòng)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(shí)的參數差異

　　可見(jiàn)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(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(wú)源晶振時(shí)應優(yōu)先選用10倍衰減探頭。若10倍衰減探頭的寄生參數還是過(guò)大，可以考慮選用有源高壓差分探頭，其負載參數優(yōu)化得非常小，如Lecroy的ZP1000探頭，輸入阻抗可達0.9pF、1M歐姆。