無源晶振的頻率該如何測量

　　晶振，是電路中重要的電子元件，控制著系統(tǒng)運行的節(jié)拍?；诓煌膽?yīng)用場景，晶振有多種類型，無源晶振是其中價格便宜而又應(yīng)用廣泛的一種。在使用示波器測量無源晶振輸出頻率時，常常會發(fā)現(xiàn)晶振有輸出無信號、晶振不起振等異常情況。本文就此情況略談一二。

　　1.無源晶振簡介

　　無源晶振，準(zhǔn)確來說應(yīng)叫Crystal(晶體)，有源晶振則叫Oscillator(振蕩器)。無源晶振是在石英晶片的兩端鍍上電極而成，其兩管腳是無極性的。無源晶振自身無法震蕩，在工作時需要搭配外圍電路。在一定條件下，石英晶片會產(chǎn)生壓電效應(yīng)：晶片兩端的電場與機械形變會互相轉(zhuǎn)化。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，晶體產(chǎn)生的振動和電場強度最大，這稱為壓電諧振，類似與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

　　由于晶體為無源器件，其對外圍電路的參數(shù)較為敏感，尤其為負(fù)載電容。根據(jù)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稱作匹配電容，是接在晶振的兩個腳上的對地電容，其作用就是調(diào)節(jié)負(fù)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(fù)載電容部分。Cic：芯片引腳分布電容以及芯片內(nèi)部電容?！鰿：PCB走線分布電容，經(jīng)驗值為3至5pF。

　　在某項目上使用到的一款32.768kHz無源晶振，手冊中負(fù)載電容推薦值為12.5pF?？梢姶酥递^為細(xì)小，微小的變化足以影響電路特性。

　　2.探頭的影響

　　探頭，其實跟示波器一樣，都是測量系統(tǒng)的一部分，其正確使用與否很大影響著測試結(jié)果。當(dāng)探頭的探針點擊測量點時，探頭的接入會對被測電路造成影響，這被稱為探頭的負(fù)載效應(yīng)。這種負(fù)載效應(yīng)一般簡化為電阻與電容的并聯(lián)。在帶寬500MHz以下的示波器，一般標(biāo)配是1倍衰減或10倍衰減的無源探頭，某些探頭的衰減比可手動選擇。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倍衰減時的參數(shù)差異

　　可見探頭的輸入電容，比晶體手冊的負(fù)載電容要大。探頭的介入，必定大大影響到原已參數(shù)優(yōu)化好的電路，從而嚴(yán)重影響晶體電路的起振。兩害相權(quán)取其輕，測量無源晶振時應(yīng)優(yōu)先選用10倍衰減探頭。若10倍衰減探頭的寄生參數(shù)還是過大，可以考慮選用有源高壓差分探頭，其負(fù)載參數(shù)優(yōu)化得非常小，如Lecroy的ZP1000探頭，輸入阻抗可達(dá)0.9pF、1M歐姆。