了解不同振蕩器的區(qū)別,分析晶體停振原因

某工控設(shè)備開發(fā)廠商的設(shè)備中采用單片機(jī)控制電路，單片機(jī)使用外接的兩腳晶體振蕩器產(chǎn)生11.0592MHz的工作時(shí)鐘，用戶希望能夠精確測量工作時(shí)鐘的頻率。

但用示波器測量頻率一方面測不準(zhǔn)，另一方面測量時(shí)還會出現(xiàn)晶體停振的情況，對于這種晶體的頻率測量有沒有好的辦法呢？

問題分析：在分析晶體停振原因前，先要了解不同振蕩器的區(qū)別。

一般來說，晶體振蕩器分為無源晶振和有源晶振兩種類型。通常對外界條件比較敏感的都是無源晶振。

無源晶振一般稱為crystal（晶體），如下圖所示，是由石英晶體按照特定角度和尺寸切割而成，其本身相當(dāng)于一個(gè)高Q值得選頻電路，需要借助外部諧振和反相器提供能量才能起振。

而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器），其內(nèi)部除了晶體以外，還包含了起振和驅(qū)動電路。下圖是有源晶振的結(jié)構(gòu)原理，可見其內(nèi)部包含了諧振和輸出端（Fout）的驅(qū)動電路。

有源晶振由于驅(qū)動能力強(qiáng)，通常不會在測量中造成停振，會造成停振的通常都是晶體。

出于成本的考慮，很多單片機(jī)采用類似下圖的晶體諧振電路，通過晶體和并聯(lián)的起振電容振蕩出需要的工作頻率。一般示波器標(biāo)配的無源探頭的寄生電容會在10～15pf左右，這樣在測量時(shí)探頭的電容并在諧振回路上會改變原振蕩電路的電容值從而造成晶體停振。

一般無源探頭的寄生電容都比較大，為了減小寄生電容，可以使用有源探頭，有源探頭的寄生電容通常在2pf以下，對于被測電路的影響比較小。另外，一般示波器都是基于周期測量結(jié)果反算頻率，測量誤差比較大，頻率計(jì)測量頻率是最精確的，但是又沒有辦法直接連接示波器的有源探頭，所以最好使用內(nèi)置頻率計(jì)功能的示波器。

測試步驟：

1、 選擇寄生電容較小的有源探頭。由于用戶要測試的信號頻率不高，選擇1GHz左右?guī)挼挠性刺筋^就足夠用了，很多1GHz有源探頭的寄生電容在1pf左右，不會對晶體的諧振電路產(chǎn)生大的影響。

2、 選擇有內(nèi)置頻率計(jì)功能的示波器。一般示波器做頻率測量時(shí)基于周期測量的，不太準(zhǔn)確，而一些帶內(nèi)置頻率計(jì)的示波器其頻率測量分辨率可以達(dá)到5位，連接外部10MHz的參考時(shí)分辨率可以達(dá)到7位。為了提高測量精度，可以從其它比較精準(zhǔn)的信號發(fā)生器、銣鐘或者頻率計(jì)上引一個(gè)10MHz的參考信號送到示波器的外參考時(shí)鐘輸入端，并設(shè)置示波器使用外部參考時(shí)鐘。

3、 通過示波器探頭連接被測信號，并在示波器上開啟頻率計(jì)數(shù)的測量功能。下圖是用一款帶內(nèi)置頻率計(jì)的示波器對晶體振蕩器頻率的測量結(jié)果，可以看到，這種方法可以提供到ppm級別的測量分辨率（具體精度取決于外參考時(shí)鐘的頻率精度），并且避免了由于探頭寄生電容對于被測電路的影響。

問題總結(jié)：這里主要是盡量選用容性小的有源探頭，以減小探頭電容對無源晶振的影響，同時(shí)通過內(nèi)置頻率計(jì)的示波器實(shí)現(xiàn)精確的頻率測量。