某工控設(shè)備開發(fā)廠商的設(shè)備中采用單片機(jī)控制電路，單片機(jī)使用外接的兩腳晶體振蕩器產(chǎn)生11.0592MHz的工作時(shí)鐘，用戶希望能夠精確測(cè)量工作時(shí)鐘的頻率。

但用示波器測(cè)量頻率一方面測(cè)不準(zhǔn)，另一方面測(cè)量時(shí)還會(huì)出現(xiàn)晶體停振的情況，對(duì)于這種晶體的頻率測(cè)量有沒(méi)有好的辦法呢?

問(wèn)題分析:在分析晶體停振原因前，先要了解不同振蕩器的區(qū)別。

一般來(lái)說(shuō)，晶體振蕩器分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類型。通常對(duì)外界條件比較敏感的都是無(wú)源晶振。

無(wú)源晶振一般稱為crystal(晶體)，如下圖所示，是由石英晶體按照特定角度和尺寸切割而成，其本身相當(dāng)于一個(gè)高Q值得選頻電路，需要借助外部諧振和反相器提供能量才能起振。

而有源晶振則叫做oscillator(振蕩器)，其內(nèi)部除了晶體以外，還包含了起振和驅(qū)動(dòng)電路。

下圖是有源晶振的結(jié)構(gòu)原理，可見其內(nèi)部包含了諧振和輸出端(Fout)的驅(qū)動(dòng)電路。

有源晶振由于驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，通常不會(huì)在測(cè)量中造成停振，會(huì)造成停振的通常都是晶體。

出于成本的考慮，很多單片機(jī)采用類似下圖的晶體諧振電路，通過(guò)晶體和并聯(lián)的起振電容振蕩出需要的工作頻率。一般示波器標(biāo)配的無(wú)源探頭的寄生電容會(huì)在10~15pf左右，這樣在測(cè)量時(shí)探頭的電容并在諧振回路上會(huì)改變?cè)袷庪娐返碾娙葜祻亩斐删w停振。

一般無(wú)源探頭的寄生電容都比較大，為了減小寄生電容，可以使用有源探頭，有源探頭的寄生電容通常在2pf以下，對(duì)于被測(cè)電路的影響比較小。

另外，一般示波器都是基于周期測(cè)量結(jié)果反算頻率，測(cè)量誤差比較大，頻率計(jì)測(cè)量頻率是最精確的，但是又沒(méi)有辦法直接連接示波器的有源探頭，所以最好使用內(nèi)置頻率計(jì)功能的示波器。

測(cè)試步驟:

1、選擇寄生電容較小的有源探頭。由于用戶要測(cè)試的信號(hào)頻率不高，選擇1GHz左右?guī)挼挠性刺筋^就足夠用了，很多1GHz有源探頭的寄生電容在1pf左右，不會(huì)對(duì)晶體的諧振電路產(chǎn)生大的影響。

2、選擇有內(nèi)置頻率計(jì)功能的示波器。一般示波器做頻率測(cè)量時(shí)基于周期測(cè)量的，不太準(zhǔn)確，而一些帶內(nèi)置頻率計(jì)的示波器其頻率測(cè)量分辨率可以達(dá)到5位，連接外部10MHz的參考時(shí)分辨率可以達(dá)到7位。為了提高測(cè)量精度，可以從其它，比較精準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器、銣鐘或者頻率計(jì)上引一個(gè)10MHz的參考信號(hào)送到示波器的外參考時(shí)鐘輸入端，并設(shè)置示波器使用外部參考時(shí)鐘。

3、通過(guò)示波器探頭連接被測(cè)信號(hào)，并在示波器上開啟頻率計(jì)數(shù)的測(cè)量功能。下圖是用一款帶內(nèi)置頻率計(jì)的示波器對(duì)晶體振蕩器頻率的測(cè)量結(jié)果，可以看到，這種方法可以提供到ppm級(jí)別的測(cè)量分辨率(具體精度取決于外參考時(shí)鐘的頻率精度)，并且避免了由于探頭寄生電容對(duì)于被測(cè)電路的影響。

問(wèn)題總結(jié):這里主要是盡量選用容性小的有源探頭，以減小探頭電容對(duì)無(wú)源晶振的影響，同時(shí)通過(guò)內(nèi)置頻率計(jì)的示波器實(shí)現(xiàn)精確的頻率測(cè)量。

審核編輯 黃宇