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(lái)說(shuō)，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(hào)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(cè)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(duì)頻率的測(cè)試。
先簡(jiǎn)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(duì)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(cè)量頻率值。而頻率計(jì)顧名思義，是用來(lái)測(cè)試信號(hào)頻率的專業(yè)儀器，當(dāng)然也可以獲得信號(hào)的其他信息，例如信號(hào)的電平值。最后說(shuō)到的頻譜分析儀通常用在射頻領(lǐng)域，來(lái)觀察和分析被測(cè)信號(hào)的頻域特性，而我們常用其配合近場(chǎng)探頭來(lái)掃描電磁干擾的功率峰值以及找到其對(duì)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(lái)測(cè)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(wú)源電壓探頭點(diǎn)測(cè)芯片的時(shí)鐘輸入引腳，就可以測(cè)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(wú)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(chǎng)探頭靠近晶體封裝外殼就可以探測(cè)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(wèn)題的焦點(diǎn)并不是能否測(cè)試，而是哪一種儀器的測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確 ?

3.頻率測(cè)試準(zhǔn)確性的理論分析

3.1測(cè)量?jī)x器對(duì)電路的影響

如果使用示波器或者頻率計(jì)，就需要無(wú)源電壓探頭配合測(cè)試，那么首先考慮的是儀器對(duì)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(duì)電路的影響也就越小。但限于目前的測(cè)試系統(tǒng)，C3和C4串聯(lián)后的電容值是幾個(gè)pF的級(jí)別，而C1通常是20~30pF，所以儀器對(duì)負(fù)載電容量的影響在10%以上，最終會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生幾個(gè)ppm（單位，百萬(wàn)分之一）的頻率偏差，通常電路設(shè)計(jì)對(duì)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(chǎng)探頭測(cè)試，因?yàn)閮H在空間上有電磁場(chǎng)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(cè)量晶體頻率。 

3.2測(cè)量?jī)x器的測(cè)量頻率精度

從下面兩個(gè)方面來(lái)分析儀器的哪些參數(shù)影響到測(cè)量精度

• 內(nèi)部時(shí)鐘精度 

 

• 測(cè)量值分辨率 

初步定性分析，頻率計(jì)作為專業(yè)測(cè)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(cè)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(hào)采集系統(tǒng)的8位ADC引起的信號(hào)幅度測(cè)量誤差）引起的垂直電平測(cè)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(cè)量誤差，最終導(dǎo)致頻率值測(cè)量誤差，而且其分辨率情況需要實(shí)測(cè)驗(yàn)證。 
 

4.頻率測(cè)試準(zhǔn)確性的實(shí)際驗(yàn)證

4.1測(cè)量?jī)x器的設(shè)置

現(xiàn)在以信號(hào)發(fā)生器的輸出作為參考基準(zhǔn)，輸出頻率設(shè)置為24MHz，測(cè)量并計(jì)算各儀器測(cè)試的頻偏，判斷準(zhǔn)確性。 
如下圖所示，信號(hào)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(chǎng)探頭檢測(cè)輻射能量。

在進(jìn)行頻率計(jì)相關(guān)測(cè)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(cè)試結(jié)果：

分析：
（1）頻率計(jì)和頻譜分析儀的測(cè)試結(jié)果都非常接近信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率
（2）示波器測(cè)量頻率的致命性缺陷是函數(shù)測(cè)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(cè)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(cè)

頻譜分析儀測(cè)試環(huán)境，近場(chǎng)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(wú)源電壓探頭，點(diǎn)觸晶體引腳測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果：

分析：
（1）頻率計(jì)和頻譜分析儀的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，前者數(shù)值小了5ppm左右，從趨勢(shì)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(cè)試結(jié)果仍然波動(dòng)很大，可以判斷不適合精確測(cè)試。

4.3驗(yàn)證無(wú)源電壓探頭的電容分別為10pF、3.9pF兩種條件下，探頭對(duì)晶體頻偏的影響

測(cè)試結(jié)果：

分析：
理論計(jì)算電容越大，測(cè)試到的頻率越小，而實(shí)際測(cè)試結(jié)果10pF探頭也比3.9pF探頭的測(cè)試結(jié)果小6ppm左右，所以可以評(píng)估探頭上的這幾個(gè)pF的差別，對(duì)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(cè)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(wú)源電壓探頭來(lái)測(cè)試，而示波器只能大致觀察頻率值，并不適合精確測(cè)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(duì)電路工作狀態(tài)影響不大，例如測(cè)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(cè)量到頻率值，而且可以得到頻率波動(dòng)的峰-峰值走勢(shì)，還可以測(cè)量到信號(hào)電平值，也就是說(shuō)一次測(cè)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(cè)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(chǎng)探頭來(lái)捕獲輻射能量的能力有限，待測(cè)時(shí)鐘信號(hào)的能量可能會(huì)被附近其他更強(qiáng)的輻射源淹沒(méi)，導(dǎo)致無(wú)法獲得時(shí)鐘頻率對(duì)應(yīng)的功率峰值，也就無(wú)法測(cè)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(cè)量信號(hào)幅度或者頻率，它的優(yōu)勢(shì)是來(lái)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(cè)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(guò)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(cè)試時(shí)鐘頻率 ? 這個(gè)問(wèn)題還需要根據(jù)具體情況來(lái)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(cè)試，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。