无源晶振，准确来说应叫Crystal（晶体），有源晶振则叫Oscillator（振荡器）。无源晶振是在石英晶片的两端镀上电极而成，其两管脚是无极性的。无源晶振自身无法震荡，在工作时需要搭配外围电路。在一定条件下，石英晶片会产生压电效应：晶片两端的电场与机械形变会互相转化。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，晶体产生的振动和电场强度最大，这称为压电谐振，类似与LC回路的谐振。
 

图1 石英晶体的电路符号、等效电路、电抗特性及外围电路图

由于晶体为无源器件，其对外围电路的参数较为敏感，尤其为负载电容。根据晶体的手册，我们得知测试电路中有推荐电容，此电容对晶体是否起振大有关联：

• Cg、Cg称作匹配电容，是接在晶振的两个脚上的对地电容，其作用就是调节负载电容使其与晶振的要求相一致，需要注意的是Cg、Cg串联后的总电容值（(C_d*C_g)/(C_d+C_g )）才是有效的负载电容部分。

• Cic：芯片引脚分布电容以及芯片内部电容。

• △C：PCB走线分布电容，经验值为3至5pF。

  
  

如何测量频率

在某项目上使用到的一款32.768kHz无源晶振，手册中负载电容推荐值为12.5pF。可见此值较为细小，微小的变化足以影响电路特性。

在捕捉到晶体的输出信号后，该如何测量其频率呢？在ZLG致远电子的ZDS系列示波器中，可以选择硬件频率计、频率参数测量、上升沿参数测量等方法。

硬件频率计在实现时，有测周期与测脉冲数的算法。这两种不同的测试方法，是会因应输入信号的频率大小而选择的，以期待测量值更准确。当信号频率小时，会选用测周期的方法，把信号的周期测好了，周期的倒数就是频率，此方法误差源在于测周期的计时时钟的频率；当信号频率大时，会选用测脉冲数的方法，在标准时间内测出信号上升沿的个数，此方法的误差是标准时间内的选定问题。

在参数测量的时间参数中，有“频率”这测试项。此测试项是求得两上升沿之间的时间差，再求倒数得到频率。此测试项的误差在于上升沿的判定与周期计时频率，受限于当前采样点的采样率。

在参数测量的统计参数中，有“上升沿计数”的方法，其原理是测量上升沿的个数。在测试中，可以将测量范围选择光标区域，而光标范围设为200ms，这样测得的上升沿乘以5，即为信号频率。
 

图4 频率、上升沿计数测量界面图

选用信号发生器输出不同频率的信号，使用上述三种方法测得频率如表 1所示。

表1 不同测量方法测出的频率对比表

可见三者测量结果差异不大，硬件频率计的分辨率更高，而参数测量中有效位数只有5位。此信号发生器输出频率的准确度为±1ppm，示波器内部晶振的频率准确度为±2ppm，在上述的24MHz硬件频率计中，测量的准确度为80Hz/24MHz=3.33ppm，基本在仪器的测量精度内。参数测量值在某些情况下显得更接近真实值，这是因为其有效位数不够而四舍五入的原因，准确度更高的还是硬件频率计。

本文就对负载敏感的无源晶振信号的测量做了简约的分析，阐述了探头的接入对电路负载效应的影响，这种影响同样也适用于输出阻抗很大的电路。零式未来仪器代理分享，希望你们喜欢！

*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。