测量引起晶体停振？ -送给傻傻分不清晶体和晶振的你 #B0030

shuszhao

某工控设备开发厂商的设备中采用单片机控制电路，单片机使用外接的两脚晶体振荡器产生11.0592MHz的工作时钟，用户希望能够精确测量工作时钟的频率。
但用示波器测量频率一方面测不准，另一方面测量时还会出现晶体停振的情况，对于这种晶体的频率测量有没有好的办法呢？
问题分析：在分析晶体停振原因前，先要了解不同振荡器的区别。
一般来说，晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。通常对外界条件比较敏感的都是无源晶振。
无源晶振一般称为crystal（晶体），如下图所示，是由石英晶体按照特定角度和尺寸切割而成，其本身相当于一个高Q值得选频电路，需要借助外部谐振和反相器提供能量才能起振。

                               
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而有源晶振则叫做oscillator（振荡器），其内部除了晶体以外，还包含了起振和驱动电路。
下图是有源晶振的结构原理，可见其内部包含了谐振和输出端（Fout）的驱动电路。

                               
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有源晶振由于驱动能力强，通常不会在测量中造成停振，会造成停振的通常都是晶体。
出于成本的考虑，很多单片机采用类似下图的晶体谐振电路，通过晶体和并联的起振电容振荡出需要的工作频率。一般示波器标配的无源探头的寄生电容会在10～15pf左右，这样在测量时探头的电容并在谐振回路上会改变原振荡电路的电容值从而造成晶体停振。

                               
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一般无源探头的寄生电容都比较大，为了减小寄生电容，可以使用有源探头，有源探头的寄生电容通常在2pf以下，对于被测电路的影响比较小。
另外，一般示波器都是基于周期测量结果反算频率，测量误差比较大，频率计测量频率是最精确的，但是又没有办法直接连接示波器的有源探头，所以最好使用内置频率计功能的示波器。
测试步骤：
1、 选择寄生电容较小的有源探头。由于用户要测试的信号频率不高，选择1GHz左右带宽的有源探头就足够用了，很多1GHz有源探头的寄生电容在1pf左右，不会对晶体的谐振电路产生大的影响。
2、 选择有内置频率计功能的示波器。一般示波器做频率测量时基于周期测量的，不太准确，而一些带内置频率计的示波器其频率测量分辨率可以达到5位，连接外部10MHz的参考时分辨率可以达到7位。为了提高测量精度，可以从其它比较精准的信号发生器、铷钟或者频率计上引一个10MHz的参考信号送到示波器的外参考时钟输入端，并设置示波器使用外部参考时钟。
3、 通过示波器探头连接被测信号，并在示波器上开启频率计数的测量功能。下图是用一款带内置频率计的示波器对晶体振荡器频率的测量结果，可以看到，这种方法可以提供到ppm级别的测量分辨率（具体精度取决于外参考时钟的频率精度），并且避免了由于探头寄生电容对于被测电路的影响。

                               
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问题总结：这里主要是尽量选用容性小的有源探头，以减小探头电容对无源晶振的影响，同时通过内置频率计的示波器实现精确的频率测量。

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