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(yīng)。當(dāng)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(jī)械振動(dòng)；同時(shí)，機(jī)械振動(dòng)在晶片產(chǎn)生電荷而形成交變電流。一般來說，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅很小，而振動(dòng)頻率很穩(wěn)定。但當(dāng)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(xiàn)象稱為石英晶體的壓電諧振。因?yàn)榫w振蕩電路的頻率穩(wěn)定性很好，所以廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)中，為其提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。

2.石英晶體諧振器的頻率測試方法

晶體的參數(shù)有很多，主要包括：振蕩頻率及其偏差、負(fù)載電容、驅(qū)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(wěn)定的頻率，所以本次討論的也是針對頻率的測試。
先簡單了解下面三種儀器：示波器、頻率計(jì)、頻譜分析儀。示波器作為“工程師的眼睛”，設(shè)定觸發(fā)條件后可以抓取到波形，然后針對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行豐富的函數(shù)分析，其中一個(gè)函數(shù)就是測量頻率值。而頻率計(jì)顧名思義，是用來測試信號頻率的專業(yè)儀器，當(dāng)然也可以獲得信號的其他信息，例如信號的電平值。最后說到的頻譜分析儀通常用在射頻領(lǐng)域，來觀察和分析被測信號的頻域特性，而我們常用其配合近場探頭來掃描電磁干擾的功率峰值以及找到其對應(yīng)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)都可以用來測試晶體振蕩電路的頻率。 
如果使用示波器或者頻率計(jì)，配合無源電壓探頭點(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(jié)構(gòu)：

其中：
C1、C2是晶體的負(fù)載電容，影響到頻率、負(fù)性阻抗等電路參數(shù)
R3、C3是無源電壓探頭的電路參數(shù)，R3是9Mohm，C3是幾個(gè)pF不等
R4、C4是示波器或者頻率計(jì)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(xiàn)在問題的焦點(diǎn)并不是能否測試，而是哪一種儀器的測試結(jié)果更準(zhǔn)確 ?

3.頻率測試準(zhǔn)確性的理論分析

3.1測量儀器對電路的影響

如果使用示波器或者頻率計(jì)，就需要無源電壓探頭配合測試，那么首先考慮的是儀器對負(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)上看，C3、C4串聯(lián)后的電容會(huì)并聯(lián)到C1上，結(jié)果使負(fù)載電容量增大，最終導(dǎo)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(tǒng)，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，所以儀器對負(fù)載電容量的影響在10%以上，最終會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生幾個(gè)ppm（單位，百萬分之一）的頻率偏差，通常電路設(shè)計(jì)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，配合近場探頭測試，因?yàn)閮H在空間上有電磁場的耦合，所以儀器的影響可以忽略。從這個(gè)角度上看，頻譜分析儀更適合測量晶體頻率。 

3.2測量儀器的測量頻率精度

從下面兩個(gè)方面來分析儀器的哪些參數(shù)影響到測量精度

• 內(nèi)部時(shí)鐘精度 

 

• 測量值分辨率 

初步定性分析，頻率計(jì)作為專業(yè)測試設(shè)備，內(nèi)部時(shí)鐘精度不差，從定期的儀器校驗(yàn)結(jié)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的分辨率滿足測試要求，但實(shí)際掃描到功率峰值的頻率是否穩(wěn)定還需要驗(yàn)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(tǒng)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(zhǔn)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(dǎo)致頻率值測量誤差，而且其分辨率情況需要實(shí)測驗(yàn)證。 
 

4.頻率測試準(zhǔn)確性的實(shí)際驗(yàn)證

4.1測量儀器的設(shè)置

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

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

測試結(jié)果：

分析：
（1）頻率計(jì)和頻譜分析儀的測試結(jié)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(shù)測量值的位數(shù)不不足，而且數(shù)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(yīng)該體現(xiàn)在觀察波形特征。
 

 

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，近場探頭靠近晶體封裝外殼。在使用示波器和頻率計(jì)時(shí)，配合電容為3.9pF的無源電壓探頭，點(diǎn)觸晶體引腳測試。
測試結(jié)果：

分析：
（1）頻率計(jì)和頻譜分析儀的測試結(jié)果對比，前者數(shù)值小了5ppm左右，從趨勢上分析符合理論計(jì)算，因?yàn)轭l率計(jì)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(jié)果仍然波動(dòng)很大，可以判斷不適合精確測試。

4.3驗(yàn)證無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(jié)果：

分析：
理論計(jì)算電容越大，測試到的頻率越小，而實(shí)際測試結(jié)果10pF探頭也比3.9pF探頭的測試結(jié)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的。 
5總結(jié)
（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(jì)配合電容較小的無源電壓探頭來測試，而示波器只能大致觀察頻率值，并不適合精確測量。
（2）如果根據(jù)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(jì)應(yīng)該是優(yōu)選的。首先因?yàn)轭l率計(jì)不但能夠準(zhǔn)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?yàn)轭l譜分析儀配合近場探頭來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(qiáng)的輻射源淹沒，導(dǎo)致無法獲得時(shí)鐘頻率對應(yīng)的功率峰值，也就無法測量到時(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(dāng)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(qū)動(dòng)功率過大，進(jìn)一步計(jì)算功率數(shù)值后如果確認(rèn)，就需要調(diào)整電路參數(shù)，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)問題還需要根據(jù)具體情況來分析，看關(guān)注點(diǎn)是什么，當(dāng)然也可以使用多種儀器協(xié)作測試，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。