石英晶体谐振器的频率测试.pdf

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1、鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT0168石英晶体谐振器的频率测试文档编号：HWTT0169鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT01681石英晶体石英晶体的化学成分是二氧化硅，可以用做振荡电路，是利用它的压电效应。当交变电压施加于石英晶片时，晶片将随交变电压的频率产生周期性的机械振动；同时，机械振动在晶片产生电荷而形成交变电流。一般来说，这种机械振动的振幅很小，而振动频率很稳定。但当外加信号源的频率与晶体的固有频率相等时，晶体便发生共振，此时晶体外电路的交变电流也最大，这个现象称为石英晶体的压电谐振。因为

2、晶体振荡电路的频率稳定性很好，所以广泛应用于电子系统中，为其提供基准时钟。2频率测试方法晶体的参数有很多，主要包括：振荡频率及其偏差、负载电容、驱动功率、等效阻抗、Ｑ值、工作温度等，晶体振荡电路最重要的就是保持工作在一个稳定的频率，所以本次讨论的也是针对频率的测试。先简单了解下面三种仪器：示波器、频率计、频谱分析仪。示波器作为“工程师的眼睛”，设定触发条件后可以抓取到波形，然后针对采集到的数据进行丰富的函数分析，其中一个函数就是测量频率值。而频率计顾名思义，是用来测试信号频率的专业仪器，当然也可以获得信号的其他信息

3、，例如信号的电平值。最后说到的频谱分析仪通常用在射频领域，来观察和分析被测信号的频域特性，而我们常用其配合近场探头来扫描电磁干扰的功率峰值以及找到其对应的频点，初步判定辐射源属性。第一眼看上去这三种仪器用途各不相同，但其实都可以用来测试晶体振荡电路的频率。如果使用示波器或者频率计，配合无源电压探头点测芯片的时钟输入引脚，就可以测量到频率，如下是各部分的电路结构：鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT0168其中：C1、C2是晶体的负载电容，影响到频率、负性阻抗等电路参数R3、C3是无源电压探头的电路参数，R3是9

4、Mohm，C3是几个pF不等R4、C4是示波器或者频率计输入通道的等效阻抗和电容，R4是1Mohm，C4是几十pF不等如果使用频谱分析仪，配合近场探头靠近晶体封装外壳就可以探测到辐射功率峰值的频率，这个频率也是晶体电路的振荡频率。现在问题的焦点并不是能否测试，而是哪一种仪器的测试结果更准确?3频率测试准确性的理论分析3.1仪器对电路的影响鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT0168如果使用示波器或者频率计，就需要无源电压探头配合测试，那么首先考虑的是仪器对负载电容的影响。晶体振荡电路的并联谐振频率公式：，其中：

5、C1、C2是负载电容，Cs是印制板的寄生电容Cp是晶体的等效并联电容从上面的电路结构上看，C3、C4串联后的电容会并联到C1上，结果使负载电容量增大，最终导致振荡频率减小。而如果C3、C4的容值越小，对电路的影响也就越小。但限于目前的测试系统，C3和C4串联后的电容值是几个pF的级别，而C1通常是20~30pF，所以仪器对负载电容量的影响在10%以上，最终会导致测量结果产生几个ppm（单位，百万分之一）的频率偏差，通常电路设计对晶体频偏的要求是30ppm左右，所以这个影响还是不能忽视的。但如果使用频谱分析仪，配合近

6、场探头测试，因为仅在空间上有电磁场的耦合，所以仪器的影响可以忽略。从这个角度上看，频谱分析仪更适合测量晶体频率。3.2仪器测量频率的精度从下面两个方面来分析仪器的哪些参数影响到测量精度•内部时钟精度鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT0168•测量值分辨率初步定性分析，频率计作为专业测试设备，内部时钟精度不差，从定期的仪器校验结果看，精度高于1ppm，特别是它的分辨率12bit是非常高的；频谱分析仪的时钟精度看上去也可以，而且1Hz的分辨率满足测试要求，但实际扫描到功率峰值的频率是否稳定还需要验证；而示波器的时

7、钟精度看上去与前两者相差并不大，但需要考虑到：量化误差（前端信号采集系统的8位ADC引起的信号幅度测量误差）引起的垂直电平测量不准确性，以及采样率不足等因素都会引起水平轴的测量误差，最终导致频率值测量误差，而且其分辨率情况需要实测验证。4频率测试准确性的实际验证4.1测量仪器设置鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT0168现在以信号发生器的输出作为参考基准，输出频率设置为24MHz，测量并计算各仪器测试的频偏，判断准确性。如下图所示，信号源的CHA作为输出，同轴线缆连接到示波器的CH2，两者阻抗都设置为50oh

8、m，保证特性阻抗连续，然后使用近场探头检测辐射能量。在进行频率计相关测试时，将上图连接到示波器的同轴线缆一端连接到频率计输入端口即可；鼎阳硬件设计与测试智库文档编号：HWTT0168测试结果：分析：（1）频率计和频谱分析仪的测试结果都非常接近信号发生器的输出频率（2）示波器测量频率的致命性缺陷是函数测量值的位数不不足，而且数值的波动范围很大，可以判断不适合精