晶振電路該如何測試？測量什么參數？

如果看過前幾節(jié)內容的話，應該就對晶振比較了解了，但是還有一個問題，那就是測試。電路設計好之后，如何測試晶振電路是否滿足設計要求呢？

關于晶振的測試，我在村田官網上面看到一個比較好的視頻，有5節(jié)內容，****是這個：

https://www.murata.com/zh-cn/products/timingdevice/crystalu/overview/basic

5節(jié)內容簡介如下：

視頻不長，每節(jié)大概3-4分鐘，不過該說的也都說了，還有實操部分。

按道理說我告訴兄弟們有這個視頻就可以了，可以自己去看，不過我還是把視頻的觀點作為筆記寫下來了。因為我也需要學習，相當于再鞏固一遍，加深理解吧。另外一方面，我個人不是喜歡視頻，因為視頻不好不斷暫停，而通常一些觀點需要停下來思索一下，結合自己已經知道的知識，兩者相互印證。如果不暫停，就像沒經過大腦，看完就完了，難以真正變成自己的知識。

下面就來看看我的文字筆記吧。

第1節(jié)、電路元件的作用

首先，我們需要評估一個晶振電路到底OK不OK，因為如果設計不合理，就會造成電路工作異常。

異?，F象一般有下面兩種：

1、晶振電路停振

2、頻率偏差過大

電路元件功能再次介紹：

為了選擇最佳的電路參數，需要對下面三項內容進行測量評估：

1、振蕩余量

2、激勵功率

3、振蕩頻率相對偏差

第2節(jié)、振蕩余量的測量

什么是振蕩余量？

振蕩余量是一個倍數，它等于晶體諧振器的負阻除以晶體諧振器的等效串聯電阻。理論上，振蕩余量有1倍以上就可以起振，但是當振蕩余量接近1倍時，偶爾可能發(fā)生不振蕩的情況。

為了穩(wěn)定起振，一般要求振蕩余量大于5倍。

負阻可以看成是放大器放大信號的放大能力，負阻的大小需要在實際電路中測量得到。負性阻抗不是晶振的內置參數，而是振蕩電路的一項重要參數。

而等效串聯電阻ESRspec會消耗能量，可以理解為阻礙信號放大的阻力。ESRspc一般在晶振規(guī)格書手冊中有標注大小。

測量負阻方法：

1、將電阻Rs串聯到晶體諧振器上面，逐步增大這個電阻，直到晶振還可以振蕩的極限為止，此時的阻值大小為Rsmax。

2、根據晶振手冊中的參數計算Re，Re≈ESR*(1+C0/Cs)^2。其中ESR為諧振器的等效串聯電阻，C0為晶體諧振器的shunt capacitance，Cs為晶振的負載電容，這三個參數一般都在晶體諧振器規(guī)格書手冊中有標注。

振蕩余量計算舉例

原視頻舉了一個例子，過程如下圖：

但是吧，我發(fā)現有個bug，實例里面Re=50Ω，ESR=100Ω，可以得到：ESR>Re。而從前面的計算公式Re≈ESR*(1+C0/Cs)^2，那么肯定有ESR<Re，兩者矛盾了。

那么哪里出錯了呢？我覺得公式是沒錯的，所以應該是舉的實例算錯了，兄弟們怎么看呢？

第3節(jié)、激勵功率的測量

激勵功率指的是晶體諧振器的功耗。

晶振廠家一般都會在手冊中標注這個參數DL，如果實際電路中，晶振的實際功耗大于手冊中標準的DL，那么就過驅動了，存在風險，可能會引起頻率和等效串聯電阻的意外變化。

測量方法

使用電流探頭，并使用示波器或頻譜分析儀等儀器，測量數據來計算上圖中a點的電流值。

下面圖片是村田使用頻譜儀測量的過程：

1、接入電流探頭

2、讀取頻譜儀中的功耗，然后計算電流值

3、計算

問題來了，里面那個0.2236是個什么鬼？我也沒搞懂。。。

第4節(jié)、振蕩頻率的測量方法

振蕩頻率是指晶振在電路中實際工作的頻率，決定振蕩頻率的主要因素是晶振的特性，但是，實際的振蕩頻率也受下面因素的影響：

1、芯片的特性

2、外部匹配電容的容量

3、PCB的雜散電容

面臨的一個比較大的問題就是：如果用探頭直接接觸振蕩電路進行測量，是無法精確測量頻率的，因為會引入電容，所以，一定要通過非接觸式的方式來進行測量。

測量儀器：

1、頻譜分析儀

2、頻率計數器

用頻譜分析儀時，使用非接觸式的天線來接收信號，讀取頻譜分析儀顯示的峰值處的頻率。

使用頻率計數器時，也需要用非接觸模式來測量，但是通常需要增幅信號到計數器能讀取的水平，所以需要預備放大電路。

振蕩頻率相對偏差

實際的振蕩頻率受下面因素的影響：

1、芯片的特性

2、外部電容的容量

3、PCB的雜散電容

所以實際在PCB上測量頻率的時候，即使使用同一個晶振，也可能跟晶振廠家的PCB上測量的頻率不一樣，這個偏差就是振蕩頻率相對偏差（并非相對晶振標稱值頻率的頻偏）。

如果在頻率偏差較大的狀態(tài)下使用，有可能使得實際的振蕩頻率超出可以容納的范圍，進而導致產品工作有問題。

如果需要較高的頻率精度，就需要格外注意頻率偏差！必須把這個相對偏差加上諧振器的規(guī)格偏差（手冊中的頻偏），來判斷是否能把頻率調整在希望的范圍內。

如下圖：相對偏差為+5ppm，晶振規(guī)格偏差為±20ppm，所以，最終實際的頻偏應該是：-15ppm~+25ppm。

         實際工作中，可以跟廠家要帶頻率數據的樣品，然后將樣品裝在自己的PCB板上實測，測得的頻率與廠家給的頻率之間的偏差就是相對偏差。

第5節(jié)、振蕩電路與電路測試的關系

前面介紹了3個測試，分別是振蕩余量、激勵功率、振蕩頻率相對偏差。既然是測試，那么就有可能不合格，那么不合格怎么辦呢？

自然是要調整電路，能調整的器件不多，主要是2個：

1、阻尼電阻Rd（串聯電阻）

2、負載電容C1/C2（匹配電容）

那調整的目標是什么呢？

目標：振蕩余量較大好，一般大于5倍；激勵功率較低好；振蕩頻率偏差小好；

問題是這幾個參數之間是矛盾的，因此需要進行平衡。

變動負載電容（匹配電容）時

如果減小負載電容，那么振蕩頻率會上升；反之如果增大負載電容，那么振蕩頻率會下降。

但是，另一方面，增大了負載電容，會導致激勵功率增加，同時振蕩余量減小，這都是不好的影響。

如果為了降低激勵功率，減小振蕩余量去調小電容，首先會造成頻率升高。其次，如果電容太小，那么電容值本身的偏差，PCB板雜散電容的影響就會增大，造成振蕩頻率變化大。

變動阻尼電阻Rd（串聯電阻）

首先，增大電阻，可以降低激勵功率，但是會引起振蕩余量降低，這兩個影響一好一壞，需要平衡。

另外，從下圖可以看出， Rd的變化對振蕩頻率的影響很小，從330Ω到470Ω，頻率變化0.8ppm。

電路調整測量

結合前面的分析，電阻對振蕩頻率影響較小，振蕩頻率主要由匹配電容決定，而同時匹配電容又跟振蕩余量和激勵功率相關。

因此策略如下：

1、首先通過調整負載電容C1/C2（匹配電容）來調整振蕩頻率到合適值

2、再通過調整Rd來將振蕩余量和激勵功率調到合適的值。

小結

以上就是視頻的主要內容，這樣寫下來，自我感覺確實比看一遍視頻了解更多。

另外，關于晶振電路的測量，我個人其實并沒有太多的經驗，以前實際測試也只是拿示波器直接接觸量的，并非像視頻說的那樣使用頻譜儀來測量。不過從道理上來說，使用頻譜儀測量確實應該更接近真實的情況。如果我們遇到晶振偶爾壞掉的問題，個人覺得上面這一套測試方法還是比較科學的分析手段。