如何测试晶振电路是否满足设计要求？

面包板社区 2022-10-21 19:59 2208浏览 0评论 0点赞

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如果看过前几节内容的话，应该就对晶振比较了解了，但是还有一个问题，那就是测试。电路设计好之后，如何测试晶振电路是否满足设计要求呢？

关于晶振的测试，我在村田官网上面看到一个比较好的视频，有5节内容，网址是这个：

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

5节内容简介如下：

视频不长，每节大概3-4分钟，不过该说的也都说了，还有实操部分。

按道理说我告诉兄弟们有这个视频就可以了，可以自己去看，不过我还是把视频的观点作为笔记写下来了。因为我也需要学习，相当于再巩固一遍，加深理解吧。另外一方面，我个人不是喜欢视频，因为视频不好不断暂停，而通常一些观点需要停下来思索一下，结合自己已经知道的知识，两者相互印证。如果不暂停，就像没经过大脑，看完就完了，难以真正变成自己的知识。

下面就来看看我的文字笔记吧。

第1节、电路元件的作用

首先，我们需要评估一个晶振电路到底OK不OK，因为如果设计不合理，就会造成电路工作异常。

异常现象一般有下面两种：

1、晶振电路停振

2、频率偏差过大

电路元件功能再次介绍：

为了选择最佳的电路参数，需要对下面三项内容进行测量评估：

1、振荡余量

2、激励功率

3、振荡频率相对偏差

第2节、振荡余量的测量

什么是振荡余量？

振荡余量是一个倍数，它等于晶体谐振器的负阻除以晶体谐振器的等效串联电阻。理论上，振荡余量有1倍以上就可以起振，但是当振荡余量接近1倍时，偶尔可能发生不振荡的情况。

为了稳定起振，一般要求振荡余量大于5倍。

负阻可以看成是放大器放大信号的放大能力，负阻的大小需要在实际电路中测量得到。负性阻抗不是晶振的内置参数，而是振荡电路的一项重要参数。

而等效串联电阻ESRspec会消耗能量，可以理解为阻碍信号放大的阻力。ESRspc一般在晶振规格书手册中有标注大小。

测量负阻方法：

1、将电阻Rs串联到晶体谐振器上面，逐步增大这个电阻，直到晶振还可以振荡的极限为止，此时的阻值大小为Rsmax。

2、根据晶振手册中的参数计算Re，Re≈ESR*(1+C0/Cs)^2。其中ESR为谐振器的等效串联电阻，C0为晶体谐振器的shunt capacitance，Cs为晶振的负载电容，这三个参数一般都在晶体谐振器规格书手册中有标注。

振荡余量计算举例

原视频举了一个例子，过程如下图：

但是吧，我发现有个bug，实例里面Re=50Ω，ESR=100Ω，可以得到：ESR>Re。而从前面的计算公式Re≈ESR*(1+C0/Cs)^2，那么肯定有ESR，两者矛盾了。

那么哪里出错了呢？我觉得公式是没错的，所以应该是举的实例算错了，兄弟们怎么看呢？

第3节、激励功率的测量

激励功率指的是晶体谐振器的功耗。

晶振厂家一般都会在手册中标注这个参数DL，如果实际电路中，晶振的实际功耗大于手册中标准的DL，那么就过驱动了，存在风险，可能会引起频率和等效串联电阻的意外变化。

测量方法

使用电流探头，并使用示波器或频谱分析仪等仪器，测量数据来计算上图中a点的电流值。

下面图片是村田使用频谱仪测量的过程：

1、接入电流探头

2、读取频谱仪中的功耗，然后计算电流值

3、计算

问题来了，里面那个0.2236是个什么鬼？我也没搞懂。。。

第4节、振荡频率的测量方法

振荡频率是指晶振在电路中实际工作的频率，决定振荡频率的主要因素是晶振的特性，但是，实际的振荡频率也受下面因素的影响：

1、芯片的特性

2、外部匹配电容的容量

3、PCB的杂散电容

面临的一个比较大的问题就是：如果用探头直接接触振荡电路进行测量，是无法精确测量频率的，因为会引入电容，所以，一定要通过非接触式的方式来进行测量。

测量仪器：

1、频谱分析仪

2、频率计数器

用频谱分析仪时，使用非接触式的天线来接收信号，读取频谱分析仪显示的峰值处的频率。

使用频率计数器时，也需要用非接触模式来测量，但是通常需要增幅信号到计数器能读取的水平，所以需要预备放大电路。

振荡频率相对偏差

实际的振荡频率受下面因素的影响：

1、芯片的特性

2、外部电容的容量

3、PCB的杂散电容

所以实际在PCB上测量频率的时候，即使使用同一个晶振，也可能跟晶振厂家的PCB上测量的频率不一样，这个偏差就是振荡频率相对偏差（并非相对晶振标称值频率的频偏）。

如果在频率偏差较大的状态下使用，有可能使得实际的振荡频率超出可以容纳的范围，进而导致产品工作有问题。

如果需要较高的频率精度，就需要格外注意频率偏差！必须把这个相对偏差加上谐振器的规格偏差（手册中的频偏），来判断是否能把频率调整在希望的范围内。

如下图：相对偏差为+5ppm，晶振规格偏差为±20ppm，所以，最终实际的频偏应该是：-15ppm~+25ppm。

实际工作中，可以跟厂家要带频率数据的样品，然后将样品装在自己的PCB板上实测，测得的频率与厂家给的频率之间的偏差就是相对偏差。

第5节、振荡电路与电路测试的关系

前面介绍了3个测试，分别是振荡余量、激励功率、振荡频率相对偏差。既然是测试，那么就有可能不合格，那么不合格怎么办呢？

自然是要调整电路，能调整的器件不多，主要是2个：

1、阻尼电阻Rd（串联电阻）

2、负载电容C1/C2（匹配电容）

那调整的目标是什么呢？

目标：振荡余量较大好，一般大于5倍；激励功率较低好；振荡频率偏差小好；

问题是这几个参数之间是矛盾的，因此需要进行平衡。

变动负载电容（匹配电容）时

如果减小负载电容，那么振荡频率会上升；反之如果增大负载电容，那么振荡频率会下降。

但是，另一方面，增大了负载电容，会导致激励功率增加，同时振荡余量减小，这都是不好的影响。

如果为了降低激励功率，减小振荡余量去调小电容，首先会造成频率升高。其次，如果电容太小，那么电容值本身的偏差，PCB板杂散电容的影响就会增大，造成振荡频率变化大。

变动阻尼电阻Rd（串联电阻）

首先，增大电阻，可以降低激励功率，但是会引起振荡余量降低，这两个影响一好一坏，需要平衡。

另外，从下图可以看出， Rd的变化对振荡频率的影响很小，从330Ω到470Ω，频率变化0.8ppm。

电路调整测量

结合前面的分析，电阻对振荡频率影响较小，振荡频率主要由匹配电容决定，而同时匹配电容又跟振荡余量和激励功率相关。

因此策略如下：

1、首先通过调整负载电容C1/C2（匹配电容）来调整振荡频率到合适值

2、再通过调整Rd来将振荡余量和激励功率调到合适的值。

小结

以上就是视频的主要内容，这样写下来，自我感觉确实比看一遍视频了解更多。

另外，关于晶振电路的测量，我个人其实并没有太多的经验，以前实际测试也只是拿示波器直接接触量的，并非像视频说的那样使用频谱仪来测量。不过从道理上来说，使用频谱仪测量确实应该更接近真实的情况。如果我们遇到晶振偶尔坏掉的问题，个人觉得上面这一套测试方法还是比较科学的分析手段。

晶振电路，兄弟们都是怎么测试的呢？测试了哪些内容呢？

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