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無源晶振的輸出頻率如何用示波器測量?
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2019/06/13 10:37:45
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深圳零式未來
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無源晶振簡介

 

無源晶振,準確來說應叫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,石英晶片會產生壓電效應:晶片兩端的電場與機械形變會互相轉化。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時,晶體產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。

 

由于晶體為無源器件,其對外圍電路的參數較為敏感,尤其為負載電容。根據晶體的手冊,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聯:

 

Cg、Cg稱作匹配電容,是接在晶振的兩個腳上的對地電容,其作用就是調節負載電容使其與晶振的要求相一致,需要注意的是Cg、Cg串聯后的總電容值((C_d*C_g)/(C_d+C_g ))才是有效的負載電容部分。

Cic:芯片引腳分布電容以及芯片內部電容。

△C:PCB走線分布電容,經驗值為3至5pF。

在某項目上使用到的一款32.768kHz無源晶振,手冊中負載電容推薦值為12.5pF。可見此值較為細小,微小的變化足以影響電路特性。

在捕捉到晶體的輸出信號后,該如何測量其頻率呢?在ZLG致遠電子的ZDS系列示波器中,可以選擇硬件頻率計、頻率參數測量、上升沿參數測量等方法。

硬件頻率計在實現時,有測周期與測脈沖數的算法。這兩種不同的測試方法,是會因應輸入信號的頻率大小而選擇的,以期待測量值更準確。當信號頻率小時,會選用測周期的方法,把信號的周期測好了,周期的倒數就是頻率,此方法誤差源在于測周期的計時時鐘的頻率;當信號頻率大時,會選用測脈沖數的方法,在標準時間內測出信號上升沿的個數,此方法的誤差是標準時間內的選定問題。

 

在參數測量的時間參數中,有“頻率”這測試項。此測試項是求得兩上升沿之間的時間差,再求倒數得到頻率。此測試項的誤差在于上升沿的判定與周期計時頻率,受限于當前采樣點的采樣率。

 測量頻率

在參數測量的統計參數中,有“上升沿計數”的方法,其原理是測量上升沿的個數。在測試中,可以將測量范圍選擇光標區域,而光標范圍設為200ms,這樣測得的上升沿乘以5,即為信號頻率。

 

選用信號發生器輸出不同頻率的信號,使用上述三種方法測得頻率如表1所示。

 

可見三者測量結果差異不大,硬件頻率計的分辨率更高,而參數測量中有效位數只有5位。此信號發生器輸出頻率的準確度為±1ppm,示波器內部晶振的頻率準確度為±2ppm,在上述的24MHz硬件頻率計中,測量的準確度為80Hz/24MHz=3.33ppm,基本在儀器的測量精度內。參數測量值在某些情況下顯得更接近真實值,這是因為其有效位數不夠而四舍五入的原因,準確度更高的還是硬件頻率計。

  小結

本文就對負載敏感的無源晶振信號的測量做了簡約的分析,闡述了探頭的接入對電路負載效應的影響,這種影響同樣也適用于輸出阻抗很大的電路。

2019/06/15 11:46:06
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