晶振電路該如何測(cè)試？測(cè)量什么參數(shù)？

如果看過前幾節(jié)內(nèi)容的話，應(yīng)該就對(duì)晶振比較了解了，但是還有一個(gè)問題，那就是測(cè)試。電路設(shè)計(jì)好之后，如何測(cè)試晶振電路是否滿足設(shè)計(jì)要求呢？

關(guān)于晶振的測(cè)試，我在村田官網(wǎng)上面看到一個(gè)比較好的視頻，有5節(jié)內(nèi)容，****是這個(gè)：

https://www.murata.com/zh-cn/products/timingdevice/crystalu/overview/basic

5節(jié)內(nèi)容簡(jiǎn)介如下：

視頻不長(zhǎng)，每節(jié)大概3-4分鐘，不過該說的也都說了，還有實(shí)操部分。

按道理說我告訴兄弟們有這個(gè)視頻就可以了，可以自己去看，不過我還是把視頻的觀點(diǎn)作為筆記寫下來了。因?yàn)槲乙残枰獙W(xué)習(xí)，相當(dāng)于再鞏固一遍，加深理解吧。另外一方面，我個(gè)人不是喜歡視頻，因?yàn)橐曨l不好不斷暫停，而通常一些觀點(diǎn)需要停下來思索一下，結(jié)合自己已經(jīng)知道的知識(shí)，兩者相互印證。如果不暫停，就像沒經(jīng)過大腦，看完就完了，難以真正變成自己的知識(shí)。

下面就來看看我的文字筆記吧。

第1節(jié)、電路元件的作用

首先，我們需要評(píng)估一個(gè)晶振電路到底OK不OK，因?yàn)槿绻O(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成電路工作異常。

異?，F(xiàn)象一般有下面兩種：

1、晶振電路停振

2、頻率偏差過大

電路元件功能再次介紹：

為了選擇最佳的電路參數(shù)，需要對(duì)下面三項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行測(cè)量評(píng)估：

1、振蕩余量

2、激勵(lì)功率

3、振蕩頻率相對(duì)偏差

第2節(jié)、振蕩余量的測(cè)量

什么是振蕩余量？

振蕩余量是一個(gè)倍數(shù)，它等于晶體諧振器的負(fù)阻除以晶體諧振器的等效串聯(lián)電阻。理論上，振蕩余量有1倍以上就可以起振，但是當(dāng)振蕩余量接近1倍時(shí)，偶爾可能發(fā)生不振蕩的情況。

為了穩(wěn)定起振，一般要求振蕩余量大于5倍。

負(fù)阻可以看成是放大器放大信號(hào)的放大能力，負(fù)阻的大小需要在實(shí)際電路中測(cè)量得到。負(fù)性阻抗不是晶振的內(nèi)置參數(shù)，而是振蕩電路的一項(xiàng)重要參數(shù)。

而等效串聯(lián)電阻ESRspec會(huì)消耗能量，可以理解為阻礙信號(hào)放大的阻力。ESRspc一般在晶振規(guī)格書手冊(cè)中有標(biāo)注大小。

測(cè)量負(fù)阻方法：

1、將電阻Rs串聯(lián)到晶體諧振器上面，逐步增大這個(gè)電阻，直到晶振還可以振蕩的極限為止，此時(shí)的阻值大小為Rsmax。

2、根據(jù)晶振手冊(cè)中的參數(shù)計(jì)算Re，Re≈ESR*(1+C0/Cs)^2。其中ESR為諧振器的等效串聯(lián)電阻，C0為晶體諧振器的shunt capacitance，Cs為晶振的負(fù)載電容，這三個(gè)參數(shù)一般都在晶體諧振器規(guī)格書手冊(cè)中有標(biāo)注。

振蕩余量計(jì)算舉例

原視頻舉了一個(gè)例子，過程如下圖：

但是吧，我發(fā)現(xiàn)有個(gè)bug，實(shí)例里面Re=50Ω，ESR=100Ω，可以得到：ESR>Re。而從前面的計(jì)算公式Re≈ESR*(1+C0/Cs)^2，那么肯定有ESR<Re，兩者矛盾了。

那么哪里出錯(cuò)了呢？我覺得公式是沒錯(cuò)的，所以應(yīng)該是舉的實(shí)例算錯(cuò)了，兄弟們?cè)趺纯茨兀?/p>

第3節(jié)、激勵(lì)功率的測(cè)量

激勵(lì)功率指的是晶體諧振器的功耗。

晶振廠家一般都會(huì)在手冊(cè)中標(biāo)注這個(gè)參數(shù)DL，如果實(shí)際電路中，晶振的實(shí)際功耗大于手冊(cè)中標(biāo)準(zhǔn)的DL，那么就過驅(qū)動(dòng)了，存在風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)引起頻率和等效串聯(lián)電阻的意外變化。

測(cè)量方法

使用電流探頭，并使用示波器或頻譜分析儀等儀器，測(cè)量數(shù)據(jù)來計(jì)算上圖中a點(diǎn)的電流值。

下面圖片是村田使用頻譜儀測(cè)量的過程：

1、接入電流探頭

2、讀取頻譜儀中的功耗，然后計(jì)算電流值

3、計(jì)算

問題來了，里面那個(gè)0.2236是個(gè)什么鬼？我也沒搞懂。。。

第4節(jié)、振蕩頻率的測(cè)量方法

振蕩頻率是指晶振在電路中實(shí)際工作的頻率，決定振蕩頻率的主要因素是晶振的特性，但是，實(shí)際的振蕩頻率也受下面因素的影響：

1、芯片的特性

2、外部匹配電容的容量

3、PCB的雜散電容

面臨的一個(gè)比較大的問題就是：如果用探頭直接接觸振蕩電路進(jìn)行測(cè)量，是無(wú)法精確測(cè)量頻率的，因?yàn)闀?huì)引入電容，所以，一定要通過非接觸式的方式來進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量?jī)x器：

1、頻譜分析儀

2、頻率計(jì)數(shù)器

用頻譜分析儀時(shí)，使用非接觸式的天線來接收信號(hào)，讀取頻譜分析儀顯示的峰值處的頻率。

使用頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，也需要用非接觸模式來測(cè)量，但是通常需要增幅信號(hào)到計(jì)數(shù)器能讀取的水平，所以需要預(yù)備放大電路。

振蕩頻率相對(duì)偏差

實(shí)際的振蕩頻率受下面因素的影響：

1、芯片的特性

2、外部電容的容量

3、PCB的雜散電容

所以實(shí)際在PCB上測(cè)量頻率的時(shí)候，即使使用同一個(gè)晶振，也可能跟晶振廠家的PCB上測(cè)量的頻率不一樣，這個(gè)偏差就是振蕩頻率相對(duì)偏差（并非相對(duì)晶振標(biāo)稱值頻率的頻偏）。

如果在頻率偏差較大的狀態(tài)下使用，有可能使得實(shí)際的振蕩頻率超出可以容納的范圍，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品工作有問題。

如果需要較高的頻率精度，就需要格外注意頻率偏差！必須把這個(gè)相對(duì)偏差加上諧振器的規(guī)格偏差（手冊(cè)中的頻偏），來判斷是否能把頻率調(diào)整在希望的范圍內(nèi)。

如下圖：相對(duì)偏差為+5ppm，晶振規(guī)格偏差為±20ppm，所以，最終實(shí)際的頻偏應(yīng)該是：-15ppm~+25ppm。

         實(shí)際工作中，可以跟廠家要帶頻率數(shù)據(jù)的樣品，然后將樣品裝在自己的PCB板上實(shí)測(cè)，測(cè)得的頻率與廠家給的頻率之間的偏差就是相對(duì)偏差。

第5節(jié)、振蕩電路與電路測(cè)試的關(guān)系

前面介紹了3個(gè)測(cè)試，分別是振蕩余量、激勵(lì)功率、振蕩頻率相對(duì)偏差。既然是測(cè)試，那么就有可能不合格，那么不合格怎么辦呢？

自然是要調(diào)整電路，能調(diào)整的器件不多，主要是2個(gè)：

1、阻尼電阻Rd（串聯(lián)電阻）

2、負(fù)載電容C1/C2（匹配電容）

那調(diào)整的目標(biāo)是什么呢？

目標(biāo)：振蕩余量較大好，一般大于5倍；激勵(lì)功率較低好；振蕩頻率偏差小好；

問題是這幾個(gè)參數(shù)之間是矛盾的，因此需要進(jìn)行平衡。

變動(dòng)負(fù)載電容（匹配電容）時(shí)

如果減小負(fù)載電容，那么振蕩頻率會(huì)上升；反之如果增大負(fù)載電容，那么振蕩頻率會(huì)下降。

但是，另一方面，增大了負(fù)載電容，會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)功率增加，同時(shí)振蕩余量減小，這都是不好的影響。

如果為了降低激勵(lì)功率，減小振蕩余量去調(diào)小電容，首先會(huì)造成頻率升高。其次，如果電容太小，那么電容值本身的偏差，PCB板雜散電容的影響就會(huì)增大，造成振蕩頻率變化大。

變動(dòng)阻尼電阻Rd（串聯(lián)電阻）

首先，增大電阻，可以降低激勵(lì)功率，但是會(huì)引起振蕩余量降低，這兩個(gè)影響一好一壞，需要平衡。

另外，從下圖可以看出， Rd的變化對(duì)振蕩頻率的影響很小，從330Ω到470Ω，頻率變化0.8ppm。

電路調(diào)整測(cè)量

結(jié)合前面的分析，電阻對(duì)振蕩頻率影響較小，振蕩頻率主要由匹配電容決定，而同時(shí)匹配電容又跟振蕩余量和激勵(lì)功率相關(guān)。

因此策略如下：

1、首先通過調(diào)整負(fù)載電容C1/C2（匹配電容）來調(diào)整振蕩頻率到合適值

2、再通過調(diào)整Rd來將振蕩余量和激勵(lì)功率調(diào)到合適的值。

小結(jié)

以上就是視頻的主要內(nèi)容，這樣寫下來，自我感覺確實(shí)比看一遍視頻了解更多。

另外，關(guān)于晶振電路的測(cè)量，我個(gè)人其實(shí)并沒有太多的經(jīng)驗(yàn)，以前實(shí)際測(cè)試也只是拿示波器直接接觸量的，并非像視頻說的那樣使用頻譜儀來測(cè)量。不過從道理上來說，使用頻譜儀測(cè)量確實(shí)應(yīng)該更接近真實(shí)的情況。如果我們遇到晶振偶爾壞掉的問題，個(gè)人覺得上面這一套測(cè)試方法還是比較科學(xué)的分析手段。