晶振，是電路中重要的電子元件，控制著系統運行的節拍。基于不同的應用場景，晶振有多種類型，無源晶振是其中價格便宜而又應用廣泛的一種。在使用示波器測量無源晶振輸出頻率時，常常會發現晶振有輸出無信號、晶振不起振等異常情況。本文就此情況略談一二。
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。
圖 1 石英晶體的電路符號、等效電路、電抗特性及外圍電路圖
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（
）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。
探頭的影響
探頭，其實跟示波器一樣，都是測量系統的一部分，其正確使用與否很大影響著測試結果。當探頭的探針點擊測量點時，探頭的接入會對被測電路造成影響，這被稱為探頭的負載效應。這種負載效應一般簡化為電阻與電容的并聯。在帶寬500MHz以下的示波器，一般標配是1倍衰減或10倍衰減的無源探頭，某些探頭的衰減比可手動選擇。不同衰減比的探頭在帶寬、輸入電阻、輸入電容上面都有差異：
圖 2 ZP1025SA 1倍、10倍衰減時的參數差異
可見探頭的輸入電容，比晶體手冊的負載電容要大。探頭的介入，必定大大影響到原已參數優化好的電路，從而嚴重影響晶體電路的起振。兩害相權取其輕，測量無源晶振時應優先選用10倍衰減探頭。若10倍衰減探頭的寄生參數還是過大，可以考慮選用有源高壓差分探頭，其負載參數優化得非常小，如Lecroy的ZP1000探頭，輸入阻抗可達0.9pF、1M歐姆。
選擇合適的測量點
既然晶體兩端非常敏感，不便于接上探頭測量，那可以換一種思路，在其他地方測量該信號。
某些時鐘芯片帶clock out功能，此功能是buffer晶體的信號，其管腳的輸出是有很強大的驅動能力的，因此可以直接使用探頭測量。
晶體發出的時鐘輸入到處理器中，可以使用計時器對此信號作分頻處理，然后將分頻后的信號輸出到管腳。這樣我們只需測量分頻后的信號，即可計算出原有時鐘的頻率。
這種間接測試的方法，只能測試晶體的頻率，不能測量晶體輸出信號的幅度。若能在設備的工況范圍都測試其頻率的準確性，那晶體電路的工作就是OK的。
圖 3 使用芯片的緩沖功能、計數器功能來測量
若信號驅動能力很強，可以考慮非接觸的測試方案：近場探頭。近場探頭配合頻譜儀，或示波器的FFT分析功能，即可測得峰值電壓處的頻率。由于為非接觸方案，不存在探頭的負載效應，不過需注意此時頻譜儀、FFT分析的頻率分辨率，這會影響測量結果的步進、精度。
Tip：如何測量頻率
在捕捉到晶體的輸出信號后，該如何測量其頻率呢？在我司的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。
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。
圖 4 頻率、上升沿計數測量界面圖
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。
表 1 不同測量方法測出的頻率對比表
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。
上一篇：Ｍ＆Ｈ在機測量，加工過程的“精度之源”
下一篇：Spectrum高速數字化儀在細胞分選領域實現突破
推薦閱讀
史海拾趣
Fischer Elektronik深知每個客戶的需求都是獨特的，因此公司非常注重提供客戶定制化的解決方案。公司擁有一支專業的研發團隊和先進的生產設備，能夠根據客戶的具體需求，設計并生產出符合其要求的產品。這種高度定制化的服務模式，贏得了眾多客戶的信賴和好評，也為公司贏得了更多的市場份額。
隨著全球環保意識的日益增強，Bel Power Solutions積極響應號召，將環保理念融入產品設計和生產中。公司推出了多款環保型電源產品，如高效能、低能耗的DC-DC轉換器和電源供應器，幫助客戶降低能耗、減少碳排放。同時，公司還致力于研發和推廣可再生能源應用技術，為可持續發展做出貢獻。
在快速發展的同時，FDI也注重可持續發展。他們致力于環境保護和社會責任，積極采用環保材料和節能技術，減少生產過程中的資源消耗和污染排放。同時，FDI還關注員工的發展和福利，為員工提供良好的工作環境和培訓機會，激發員工的創造力和創新精神。展望未來，FDI將繼續秉承“創新、服務、質量、誠信”的核心理念，不斷推動技術進步和產品升級，為電子行業的發展貢獻更多的力量。
為了進一步擴大市場份額，ATS開始實施全球化戰略。公司先后在北美、歐洲和亞洲等地設立了分公司或辦事處，以便更好地服務全球客戶。同時，ATS還積極參與國際展覽和交流活動，與全球各地的合作伙伴建立緊密的合作關系。這些舉措使ATS的產品和服務得以覆蓋更廣泛的地域，公司的知名度和影響力也不斷提升。
隨著全球環保意識的日益增強，ATS積極響應國家號召，將環保理念融入公司的產品和服務中。公司開始研發和生產符合環保標準的散熱器產品，采用環保材料和工藝，減少生產過程中的污染排放。同時，ATS還加強了對廢舊產品的回收和處理工作，努力實現資源的循環利用。這些舉措不僅提升了ATS的環保形象，也為公司的可持續發展奠定了堅實基礎。
這五個故事展示了ATS公司在電子行業中的發展歷程和取得的成就。從創業初期的技術突破，到從咨詢到制造的轉型，再到全球化戰略的實施和研發創新能力的持續提升，ATS始終保持著敏銳的市場洞察力和創新精神。同時，公司還積極踐行環保理念，為電子行業的可持續發展做出了積極貢獻。
近年來，DRS在紅外探測器技術領域取得了重要進展。公司在12μm像元尺寸非制冷紅外探測器技術的基礎上，成功研制出10μm像元尺寸的產品。這一技術的突破不僅展示了DRS在紅外探測領域的實力，也為其在未來的市場競爭中提供了有力的技術支撐。
|
走進單片機世界 當今大家對計算機已經不陌生了。從鋪天蓋地的計算機學習班廣告到有關任職必須具備計算機知識的通知，已經使我們自覺不自覺地進入了計算機的世界。但是還有一類計算機我們可能并不熟悉，它就在我們面前，這就是單片機。單片機顧 ...… 查看全部問答∨ |
英特爾投入嵌入式市場的一枚炸彈！ 10月30日上午9點30分，EEWORLD現場直播——英特爾首款嵌入式SOC應用論壇！邀你一同見證“英特爾首款應用于嵌入式 與通信領域的系統芯片產品——Tolopai” 在中國的發布。 &n ...… 查看全部問答∨ |
|
WinCE+CDMA撥10000號成功，連接網絡失敗：no carrier 撥打10000號成功，在用wince網絡和撥號連接時，返回沒有載波信息（no carrier）錯誤 這會是什么原因？… 查看全部問答∨ |
|
|
書上有這么一段話： 眾所周知，處理器只能執行存放在主存中的軟件，而操作系統作為一種比較大的軟件，在通常情況下，它只能存放在磁盤里。因此，就必須想辦法在系統上電之后把它自磁盤提取出來并裝入主存。 現在有塊S3C44B0的板子。如果要移植UCLI ...… 查看全部問答∨ |
我用busybox編譯了一個telnetd，將其移植到了ARM上，我在XP和linux上用telnet 10.10.19.119(ARM的IP)都可以登陸到ARM的linux操作系統上，但是不能登陸到自己做的命令行里。 自己做的命令行，是一個交叉編譯后生成的執行文 ...… 查看全部問答∨ |
|
請教各位大俠。 我在wdk6000下基于KMDF開發了一個PCI設備的驅動，在Vista下能正常的安裝和使用。按照微軟提供的文檔，Build Environments選為"Windows XP"后編譯的驅動在XP下安裝卻報錯：Windows無法加載這個硬件的設備驅動程序，驅動程序可能 ...… 查看全部問答∨ |
第一節： 心情和時鐘說實話我能夠使用的單片機不多，我總是以為無論什么單片機都能開發出好的產品。前些年用51，總是向各位大大學習，無休止的索取，在網上狂覽一通。心里感激的同時也想奉獻一些，可是我會什么？后來使用avr（公司要求）還是向大大 ...… 查看全部問答∨ |
- 泰克閃耀 2025 慕尼黑上海電子展，引領測試技術新變革中國上海，2025年4月15日 —— 作為全球電子測試與測量領域的領軍者，泰克科技在2025年4月15日至17日于上海新國際博覽中心舉辦的2025慕尼 ...
- 破解AI集群擴展中的關鍵瓶頸作者：是德科技產品營銷經理Emily Yan人工智能（AI）正以前所未有的速度向前發展，整個市場迫切需要更加強大、更加高效的數據中心來夯實技 ...
- 高性能三通道雙向電源：實現更多測試與更高吞吐量隨著科技的飛速發展，測試工程師們常常面臨這樣的挑戰：生產需求超出了現有測試系統的能力，或者需要同時測試多個參數。在這種情況下，傳統 ...
- 客戶案例：利用設備租賃在意外停機期間維持生產運營在當今快速發展的商業環境中，企業面臨著各種不可預見的挑戰，“設備意外停機”是企業在運營中可能遇到的挑戰之一。這種突發狀況不僅會擾亂 ...
- 是德科技推出用于大規模AI數據中心的系列解決方案為AI基礎設施提供商提供從物理層到應用層數據中心模擬和優化解決方案驗證和優化系統級性能，確保AI數據中心的無縫互操作性主動識別可能導致 ...
- 不可錯過的低功耗神器Otii：重新定義功耗優化設計
- 普源精電RIGOL推出MHO2000系列高分辨率示波器
- 是德科技推出1.6T平臺和自動化網絡互連性能驗證軟件
- 是德科技新增快速、緊湊型測試儀器，擴展射頻和微波產品組合
PIC17LCR43-08I/JW
京公網安備 11010802033920號