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無(wú)源晶振的頻率該如何測(cè)量

來(lái)源: ickey
2020-09-27
類別:基礎(chǔ)知識(shí)
eye 60
文章創(chuàng)建人 拍明

原標(biāo)題:無(wú)源晶振的頻率該如何測(cè)量

無(wú)源晶振(Passive Crystal Oscillator)是一種需要外部電路驅(qū)動(dòng)的諧振器件,其頻率測(cè)量需借助外部激勵(lì)和測(cè)試設(shè)備。以下是幾種常用的測(cè)量方法及其原理、步驟與注意事項(xiàng)。


一、測(cè)量原理

無(wú)源晶振的頻率由其機(jī)械振動(dòng)特性決定,需通過(guò)外部電路(如振蕩電路)將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后測(cè)量。測(cè)量核心在于:

  1. 激勵(lì)晶振起振:通過(guò)電容、電阻等元件搭建振蕩電路。

  2. 捕獲輸出信號(hào):使用示波器、頻譜儀或頻率計(jì)檢測(cè)電信號(hào)的頻率。


二、常用測(cè)量方法

1. 示波器測(cè)量法
  • 原理:通過(guò)示波器直接觀察晶振輸出信號(hào)的波形,并測(cè)量其周期(),頻率()為周期的倒數(shù)()。

  • 步驟

    • 調(diào)整示波器時(shí)基(Time Base)至合適檔位(如100ns/div),觀察正弦波或方波。

    • 測(cè)量一個(gè)完整周期的時(shí)間(),計(jì)算頻率()。

    • 將示波器探頭連接至反相器輸出端,注意探頭的接地夾需盡量靠近電路地,避免干擾。

    • 典型電路:晶振 + 兩個(gè)負(fù)載電容() + 反相器(如74HC04)。

    • 示例:對(duì)于8MHz晶振,負(fù)載電容通常為15pF~22pF。

    1. 搭建振蕩電路

    2. 連接示波器

    3. 測(cè)量波形

  • 注意事項(xiàng)

    • 探頭電容(通常10pF~15pF)會(huì)改變負(fù)載電容,需調(diào)整電路中的以補(bǔ)償。

    • 示波器帶寬需≥晶振頻率的3倍(如測(cè)量8MHz晶振,需≥24MHz帶寬)。

2. 頻率計(jì)測(cè)量法
  • 原理:頻率計(jì)直接統(tǒng)計(jì)輸入信號(hào)的周期數(shù),并顯示頻率值。

  • 步驟

    • 頻率計(jì)通常可自動(dòng)測(cè)量并顯示頻率(如8.000000MHz)。

    • 將頻率計(jì)輸入端連接至振蕩電路輸出端。

    1. 搭建振蕩電路:同示波器法。

    2. 連接頻率計(jì)

    3. 讀取頻率值

  • 注意事項(xiàng)

    • 頻率計(jì)的測(cè)量精度取決于其內(nèi)部時(shí)鐘的穩(wěn)定性(如±1ppm)。

    • 對(duì)于高頻晶振(如>50MHz),需選擇高速頻率計(jì)(如Keysight 53230A)。

3. 頻譜分析儀測(cè)量法
  • 原理:頻譜儀通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),直接顯示頻率成分。

  • 步驟

    • 調(diào)整分辨率帶寬(RBW)至合適值(如1kHz),觀察主頻峰的位置。

    • 將頻譜儀輸入端連接至振蕩電路輸出端,設(shè)置中心頻率為晶振標(biāo)稱頻率。

    1. 搭建振蕩電路:同上。

    2. 連接頻譜儀

    3. 觀察頻譜

  • 注意事項(xiàng)

    • 頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍需足夠高(如>70dB),以避免諧波干擾。

    • 測(cè)量前需校準(zhǔn)頻譜儀的頻率精度。

4. 網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量法(高精度)
  • 原理:通過(guò)掃頻激勵(lì)晶振,測(cè)量其阻抗-頻率特性,找到諧振頻率。

  • 步驟

    • 觀察阻抗最小值對(duì)應(yīng)的頻率,即為晶振的實(shí)際諧振頻率。

    • 設(shè)置掃頻范圍(如標(biāo)稱頻率±10%),步進(jìn)(如10kHz)。

    • 將晶振接入網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口,通常需使用專用夾具(如SMA接頭)。

    1. 搭建測(cè)試夾具

    2. 設(shè)置掃頻參數(shù)

    3. 測(cè)量S11參數(shù)

  • 注意事項(xiàng)

    • 網(wǎng)絡(luò)分析儀需校準(zhǔn)至端口(如SOLT校準(zhǔn))。

    • 測(cè)試夾具的寄生參數(shù)(如電感、電容)會(huì)影響測(cè)量精度,需通過(guò)去嵌入(De-embedding)校正。

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三、測(cè)量誤差分析與優(yōu)化


誤差來(lái)源影響優(yōu)化方法
負(fù)載電容偏差導(dǎo)致頻率偏移(如±50ppm)精確計(jì)算,使用可調(diào)電容補(bǔ)償。
探頭電容改變振蕩電路參數(shù)使用低電容探頭(如1pF)或同軸電纜。
電路寄生參數(shù)引入諧波或頻率偏移縮短PCB走線,使用接地平面。
環(huán)境溫度溫度系數(shù)導(dǎo)致頻率漂移(如±10ppm/°C)在恒溫環(huán)境下測(cè)量,或記錄溫度補(bǔ)償。
測(cè)量設(shè)備精度頻率計(jì)/示波器的分辨率限制選擇高精度設(shè)備(如±0.1ppm頻率計(jì))。



四、典型測(cè)量案例

案例:測(cè)量一枚標(biāo)稱頻率為12MHz的無(wú)源晶振。
步驟

  1. 搭建振蕩電路

    • 晶振 + 兩個(gè)18pF電容 + 74HC04反相器。

  2. 連接示波器

    • 探頭接地夾靠近電路地,時(shí)基設(shè)為50ns/div。

  3. 測(cè)量波形

    • 觀察到周期為83.33ns,計(jì)算頻率:。

  4. 驗(yàn)證頻率計(jì)

    • 連接頻率計(jì),顯示12.000000MHz,與示波器結(jié)果一致。


五、總結(jié)與建議

  1. 選擇測(cè)量方法

    • 低成本:示波器法(需注意探頭電容影響)。

    • 高精度:頻率計(jì)或網(wǎng)絡(luò)分析儀法。

    • 頻域分析:頻譜儀法(適合觀察諧波)。

  2. 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)

    • 使用推薦負(fù)載電容(參考晶振數(shù)據(jù)手冊(cè))。

    • 縮短PCB走線,減少寄生參數(shù)。

  3. 環(huán)境控制

    • 在恒溫環(huán)境下測(cè)量,或記錄溫度以補(bǔ)償頻率漂移。

通過(guò)以上方法,可準(zhǔn)確測(cè)量無(wú)源晶振的頻率,并確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。


責(zé)任編輯:David

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標(biāo)簽: 無(wú)源晶振 晶體

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