晶振用示波器怎么测量(晶振电路和检验方法)

Posted 2023-05-29

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晶振用示波器怎么测量(晶振电路和检验方法)

一. 晶振电路

晶体谐振器是一个无源元件，因此受到电源电压、环境温度、电路结构、电路常数和衬底布线方式等方面的影响，大致可分为正常和异常两种工作方式。因此，在振荡电路的设计中，首先要考虑保证晶体谐振器的振荡并保持其稳定。在上面那些方面确定后，下一步要考虑频率精度、频率可调性、调制电平、启动时间等。

二. 元器件的作用和参考值

在振荡电路的设计中，有必要了解各个元件的作用。参考基于C-MOS 工艺的芯片（东芝：74HCU04AP）的振荡电路（图1），其作用如表1所示。

图 1

如表1所示，当反馈电阻器（Rf）未接进振荡电路中，即使振荡电路通电，谐振器也不会开始振荡。除非连接适当值的电阻器，否则晶振可能不会按照期望的模式开始振荡，反而会产生泛音或者基波振荡。

在基波谐振器（MHz波段）的情况下，反馈电阻通常为1 MΩ。在泛音谐振器（MHz波段）的情况下，反馈电阻取决于IC和频率特性，反馈电阻取值在几个kΩ-数十kΩ的范围内。对于音叉式谐振器（kHz波段），则需要连接10 MΩ或更大的反馈电阻。

泄放电阻（Rd）的合适值取决于谐振器的类型、频带和外部电容器（C1、C2）的值。通过测量振荡电路的特性（包括负电阻、驱动电平等）来确定其最佳值。AT切谐振器（MHz波段）的Rd参考值在几百Ω-几个kΩ的范围内。音叉型谐振器（kΩ波段）的Rd参考范围为100kΩ-几百kΩ。

外部电容器的合适值在3 pF-33 pF范围内，这取决于谐振器的类型、频带、泄放电阻的值和振荡形式。

三. 振荡电路的检测方法

必须使用正确的方法，尽可能测量安装在电路板上的晶体谐振器振荡频率的准确值。通常使用探头和频率计数器测量振动频率，而且最重要的是尽量减少测量工具对测量结果的影响。

图2、图3、图4所示为三种测量频率的方法。最精确的测量方法是使用可以不接触振荡电路就能测量频率的频谱分析仪。

图2、探针不影响频率的原因是，作为缓冲的反相器的输出是可以测量的。

图 2 反相器缓冲输出

图3、探针不影响频率的原因是，芯片缓冲器输出频率（1/1，1/2等）也是可以测量的。

图 3 芯片缓冲器输出

图4、此情形没有芯片缓冲级输出，为了减小探针对频率的影响，小于3pF的电容需要插入芯片XTAL_OUT的输出引脚和探针之间。然而，使用这种方法，输出波形可能变小，而且由于频率计数器的灵敏度，即使可以用示波器测量，也不能用频率计数器测量。在这种情况下，使用放大器进行测量。

图 4 无芯片缓冲器输出

另外，振荡频率因测点不同而不同。

1. 测量缓冲器输出

2. 测量振荡级输出

3. 通过电容测量振荡级输出

图5展示了1-3测量点，其中测量缓冲器输出点，测得的振荡频率受探针影响较低。

图 5 三种测量点

四. 测量负电阻

这是确定振荡裕度的一种测量方法，用于根据测得的值预测振荡的稳定性。

如图6所示，在谐振器中串联插入一个电阻（R），并将其替换为大一点的电阻值，直到停止振荡。在谐振器停止振荡之前，这个电阻值是负电阻。

图 6 负电阻测量

注意：

l在测量点用示波器确认振荡波形。

l在工作电压范围内确认负电阻的最小值。

l根据工作温度范围使用干燥器、淬火剂、温控烘箱等方式，调节温度确认负电阻值。

l10倍于最大晶体阻抗的负电阻，建议用于汽车应用和人身安全装置中。对于其他应用，推荐使用5倍于最大晶体阻抗的负电阻。

五. 测量驱动电平

在使用晶振电路中，测量正常工作时晶振所消耗的功率。

如图7所示，使用电流探头（如P6022/Tektronix）测量流入谐振器的电流（i）。

然而，在使用探针接触振荡电路的方法中，由于电流会从探针流入GND，因此无法获得正确的值。

图 7 测量晶振驱动电平

计算公式：

DL(drive level:W)=i^2xR1

.i(A):电流（有效值）

.R1(Ω)：晶振串联电阻

注意：

晶振的最大允许驱动电平取决于晶振的大小和振荡模式。

六. 检查异常振荡

在振荡电路中，检查晶振是否可能以不期望的振荡模式振荡。

--简单测试方法--

当晶振的振荡模式为基本模式时，如图9所示，可通过用稍湿的手指抓住谐振器的两根引线，并在关闭电源到打开电源的同时分离手指来测试异常振动。如果示波器中没有观察到三次泛音振荡，则不存在异常振荡的可能性。另一方面，当手指分开时，如果在示波器中观察到三次泛音振荡，则有可能出现异常振荡。用湿手指检查是为了在晶振两端形成一个小电阻，并如图8中的电路图所示降低Rf，以允许高频段振荡。

图 8 检查异常振荡

正常时：

异常时：

图 9 异常振荡波形

七. 振荡电路引起的不合格情况及对策

在晶体振荡电路的设计中，可能会出现各种不合格情况。

比如：

1. 频率不能在要求的范围内。（尽管应用需要精确的频率稳定性。）

2. 频率无法调整。（虽然频率可调电路。）

3. 1/3或3倍标称频率的振荡

4. 晶振启动时间明显延迟。

5. 谐振器不振荡或振荡启动时间长。

为了减少这种情况，至少必须检查上述振荡电路的基本项目。

在这里，如果不能通过改变谐振器的规格来解决不合规情况，那么在电路侧实施相应的对策会相对容易些（见表2）。

然而，即使改善了一致性条件，振荡电路的许多特性也可能得不到满足。如果使用表2的建议仍无法解决问题，请与晶振供应商联系。