石英晶體諧振器測試技巧

1.石英晶體諧振器的工作原理

石英晶體的化學(xué)成分是二氧化硅，可以用做振蕩電路，是利用它的壓電效應。當交變電壓施加于石英晶片時(shí)，晶片將隨交變電壓的頻率產(chǎn)生周期性的機械振動(dòng)；同時(shí)，機械振動(dòng)在晶片產(chǎn)生電荷而形成交變電流。一般來(lái)說(shuō)，這種機械振動(dòng)的振幅很小，而振動(dòng)頻率很穩定。但當外加信號源的頻率與晶體的固有頻率相等時(shí)，晶體便發(fā)生共振，此時(shí)晶體外電路的交變電流也最大，這個(gè)現象稱(chēng)為石英晶體的壓電諧振。因為晶體振蕩電路的頻率穩定性很好，所以廣泛應用于電子系統中，為其提供基準時(shí)鐘。

2.石英晶體諧振器的頻率測試方法

晶體的參數有很多，主要包括：振蕩頻率及其偏差、負載電容、驅動(dòng)功率、等效阻抗、Ｑ值、工作溫度等，晶體振蕩電路最重要的就是保持工作在一個(gè)穩定的頻率，所以本次討論的也是針對頻率的測試。
先簡(jiǎn)單了解下面三種儀器：示波器、頻率計、頻譜分析儀。示波器作為“工程師的眼睛”，設定觸發(fā)條件后可以抓取到波形，然后針對采集到的數據進(jìn)行豐富的函數分析，其中一個(gè)函數就是測量頻率值。而頻率計顧名思義，是用來(lái)測試信號頻率的專(zhuān)業(yè)儀器，當然也可以獲得信號的其他信息，例如信號的電平值。最后說(shuō)到的頻譜分析儀通常用在射頻領(lǐng)域，來(lái)觀(guān)察和分析被測信號的頻域特性，而我們常用其配合近場(chǎng)探頭來(lái)掃描電磁干擾的功率峰值以及找到其對應的頻點(diǎn)，初步判定輻射源屬性。 
第一眼看上去這三種儀器用途各不相同，但其實(shí)都可以用來(lái)測試晶體振蕩電路的頻率。 
如果使用示波器或者頻率計，配合無(wú)源電壓探頭點(diǎn)測芯片的時(shí)鐘輸入引腳，就可以測量到頻率，如下是各部分的電路結構：

其中：
C1、C2是晶體的負載電容，影響到頻率、負性阻抗等電路參數
R3、C3是無(wú)源電壓探頭的電路參數，R3是9Mohm，C3是幾個(gè)pF不等
R4、C4是示波器或者頻率計輸入通道的等效阻抗和電容，R4是1Mohm，C4是幾十pF不等
如果使用頻譜分析儀，配合近場(chǎng)探頭靠近晶體封裝外殼就可以探測到輻射功率峰值的頻率，這個(gè)頻率也是晶體電路的振蕩頻率。
現在問(wèn)題的焦點(diǎn)并不是能否測試，而是哪一種儀器的測試結果更準確 ?

3.頻率測試準確性的理論分析

3.1測量?jì)x器對電路的影響

如果使用示波器或者頻率計，就需要無(wú)源電壓探頭配合測試，那么首先考慮的是儀器對負載電容的影響。晶體振蕩電路的并聯(lián)諧振頻率公式：


 
，其中：C1、C2是負載電容，Cs是印制板的寄生電容
Cp是晶體的等效并聯(lián)電容
從上面的電路結構上看，C3、C4串聯(lián)后的電容會(huì )并聯(lián)到C1上，結果使負載電容量增大，最終導致振蕩頻率減小。而如果C3、C4的容值越小，對電路的影響也就越小。但限于目前的測試系統，C3和C4串聯(lián)后的電容值是幾個(gè)pF的級別，而C1通常是20~30pF，所以?xún)x器對負載電容量的影響在10%以上，最終會(huì )導致測量結果產(chǎn)生幾個(gè)ppm（單位，百萬(wàn)分之一）的頻率偏差，通常電路設計對晶體頻偏的要求是30ppm左右，所以這個(gè)影響還是不能忽視的。 
但如果使用頻譜分析儀，配合近場(chǎng)探頭測試，因為僅在空間上有電磁場(chǎng)的耦合，所以?xún)x器的影響可以忽略。從這個(gè)角度上看，頻譜分析儀更適合測量晶體頻率。 

3.2測量?jì)x器的測量頻率精度

從下面兩個(gè)方面來(lái)分析儀器的哪些參數影響到測量精度

• 內部時(shí)鐘精度 

 

• 測量值分辨率 

初步定性分析，頻率計作為專(zhuān)業(yè)測試設備，內部時(shí)鐘精度不差，從定期的儀器校驗結果看，精度高于1ppm，特別是它的分辨率12bit是非常高的；頻譜分析儀的時(shí)鐘精度看上去也可以，而且1Hz的分辨率滿(mǎn)足測試要求，但實(shí)際掃描到功率峰值的頻率是否穩定還需要驗證；而示波器的時(shí)鐘精度看上去與前兩者相差并不大，但需要考慮到：量化誤差（前端信號采集系統的8位ADC引起的信號幅度測量誤差）引起的垂直電平測量不準確性，以及采樣率不足等因素都會(huì )引起水平軸的測量誤差，最終導致頻率值測量誤差，而且其分辨率情況需要實(shí)測驗證。 
 

4.頻率測試準確性的實(shí)際驗證

4.1測量?jì)x器的設置

現在以信號發(fā)生器的輸出作為參考基準，輸出頻率設置為24MHz，測量并計算各儀器測試的頻偏，判斷準確性。 
如下圖所示，信號源的CHA作為輸出，同軸線(xiàn)纜連接到示波器的CH2，兩者阻抗都設置為50ohm，保證特性阻抗連續，然后使用近場(chǎng)探頭檢測輻射能量。

在進(jìn)行頻率計相關(guān)測試時(shí)，將上圖連接到示波器的同軸線(xiàn)纜一端連接到頻率計輸入端口即可；

測試結果：

分析：
（1）頻率計和頻譜分析儀的測試結果都非常接近信號發(fā)生器的輸出頻率
（2）示波器測量頻率的致命性缺陷是函數測量值的位數不不足，而且數值的波動(dòng)范圍很大，可以判斷不適合精確測試，它的作用應該體現在觀(guān)察波形特征。
 

 

4.2產(chǎn)品主板上的24MHz晶體電路頻率實(shí)測

頻譜分析儀測試環(huán)境，近場(chǎng)探頭靠近晶體封裝外殼。在使用示波器和頻率計時(shí)，配合電容為3.9pF的無(wú)源電壓探頭，點(diǎn)觸晶體引腳測試。
測試結果：

分析：
（1）頻率計和頻譜分析儀的測試結果對比，前者數值小了5ppm左右，從趨勢上分析符合理論計算，因為頻率計探頭電容的附加，必然會(huì )使晶體電路頻率減小。
（2）示波器的測試結果仍然波動(dòng)很大，可以判斷不適合精確測試。

4.3驗證無(wú)源電壓探頭的電容分別為10pF、3.9pF兩種條件下，探頭對晶體頻偏的影響

測試結果：

分析：
理論計算電容越大，測試到的頻率越小，而實(shí)際測試結果10pF探頭也比3.9pF探頭的測試結果小6ppm左右，所以可以評估探頭上的這幾個(gè)pF的差別，對頻偏的影響還是很顯著(zhù)的。 
5總結
（1）如果是進(jìn)行晶體振蕩電路的頻率測試，頻譜分析儀最合適，其次是使用頻率計配合電容較小的無(wú)源電壓探頭來(lái)測試，而示波器只能大致觀(guān)察頻率值，并不適合精確測量。
（2）如果根據實(shí)際情況判斷接觸式探頭的寄生電容對電路工作狀態(tài)影響不大，例如測量某個(gè)芯片輸出的時(shí)鐘頻率，這時(shí)候頻率計應該是優(yōu)選的。首先因為頻率計不但能夠準確測量到頻率值，而且可以得到頻率波動(dòng)的峰-峰值走勢，還可以測量到信號電平值，也就是說(shuō)一次測量獲得的信息量更大；而頻譜分析儀只能抓到頻率值，除非是在EMI摸底測試的時(shí)候，否則輻射功率值我們通常并不關(guān)心。其次因為頻譜分析儀配合近場(chǎng)探頭來(lái)捕獲輻射能量的能力有限，待測時(shí)鐘信號的能量可能會(huì )被附近其他更強的輻射源淹沒(méi)，導致無(wú)法獲得時(shí)鐘頻率對應的功率峰值，也就無(wú)法測量到時(shí)鐘頻率。
（3）要注意到示波器的作用并不在于精確測量信號幅度或者頻率，它的優(yōu)勢是來(lái)抓取波形，判斷時(shí)鐘電路是否工作在正常的狀態(tài)。例如當測試到晶體振蕩電路的波形不是正弦波，而接近方波時(shí)，則判斷可能是驅動(dòng)功率過(guò)大，進(jìn)一步計算功率數值后如果確認，就需要調整電路參數，避免損壞晶體。

所以哪種儀器最適合測試時(shí)鐘頻率 ? 這個(gè)問(wèn)題還需要根據具體情況來(lái)分析，看關(guān)注點(diǎn)是什么，當然也可以使用多種儀器協(xié)作測試，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。