简析石英晶体谐振器的频率测试

时间： 2024-09-22 来源：TROQ创捷电子官网

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石英晶体谐振器的化学成分是二氧化硅，它可以用作振荡电路，但它利用了它的压电效应。当交流电压施加到应时晶片上时，晶片将产生具有交流电压频率的周期性机械振动。同时，机械振动在晶片上产生电荷并形成交流电。一般来说，这种机械振动的振幅很小，振动频率很稳定。但是当外部信号源的频率等于晶体的固有频率时，晶体就会发生共振，最体外电路的交流电也很大。这种现象被称为石英晶体谐振器的压电共振。石英晶体谐振器电路由于其良好的频率稳定性，被广泛应用于电子系统中提供参考时钟。

石英晶体谐振器的参数很多，主要包括:振荡频率及其偏差、负载电容、驱动功率、等效阻抗、Q值、工作温度等。石英晶体谐振器电路重要的是保持工作在稳定的频率上。

要测试石英晶体谐振器的频率首先简单了解以下三种仪器:示波器、频率计、频谱分析仪。示波器作为“工程师的眼睛”，可以在设定触发条件后捕捉波形，然后对采集到的数据进行分析，功能丰富，其中之一就是测量频率值。顾名思义，频率计是用来测试信号频率的专业仪器。当然，它也可以获得信号的其他信息，如信号的电平值。频谱分析仪通常用于射频领域，观察分析被测信号的频域特性，我们经常利用它配合近场探头扫描电磁干扰的峰值功率，找到其对应的频点，初步确定辐射源的属性。

频率计作为专业测试石英晶体谐振器的设备，内部时钟精度不差。从常规仪器校准的结果来看，精度高于1ppm，尤其是12位的分辨率非常高。频谱分析仪的时钟精度看似可以接受、1Hz的分辨率符合测试要求，但实际扫描到的功率峰值频率是否稳定仍需验证。但示波器的时钟精度看似与前两者相差不大，但需要考虑的是，量化误差（前端信号采集系统8位ADC引起的信号幅度测量误差）和采样率不足引起的垂直电平测量不准确会引起横蚰测最误差，从而导致频率值的测量误差，其分辨率需要通过实际测量来验证。

(1)如果是测试石英晶体谐振器电路的频率，频谱分析仪更适合，其次用频率计用电容较小的无源电压探头进行测试，而示波器只能粗略观察频率，不适合测量。

(2)如果根据实际情况判断接触式探头的寄生电容对电路的工作状态影响不大，比如测量某个芯片输出的时钟频率，那么应该优先选择频率计。首先是因为频率计不仅可以测量频率值，还可以得到频率波动的峰峰值趋势，还可以测量信号电平值，也就是说一次测量得到的信息量比较大；但是频谱分析仪只能掌握频率值，我们通常不关心辐射功率值，除非是在EMI基线测试中。其次，由于频谱分析仪用近场探头捕获辐射能量的能力有限，待测时钟信号的能量可能会被附近其他更强的辐射源淹没，导致无法获得时钟频率对应的峰值功率，从而无法测量时钟频率。

(3)需要注意的是，示波器的功能不是测量信号的幅度或频率，它的优势是抓取波形，判断时钟电路是否正常工作。例如，当测试石英晶体谐振器电路的波形不是正弦波而是接近方波时，可以判断驱动功率过大。如果进一步计算后确定了功率值，则需要调整电路参数，以免损坏晶体。

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