无源晶振的频率该如何测量

　　晶振，是电路中重要的电子元件，控制着系统运行的节拍。基于不同的应用场景，晶振有多种类型，无源晶振是其中价格便宜而又应用广泛的一种。在使用示波器测量无源晶振输出频率时，常常会发现晶振有输出无信号、晶振不起振等异常情况。本文就此情况略谈一二。

　　1.无源晶振简介

　　无源晶振，准确来说应叫Crystal(晶体)，有源晶振则叫Oscillator(振荡器)。无源晶振是在石英晶片的两端镀上电极而成，其两管脚是无极性的。无源晶振自身无法震荡，在工作时需要搭配外围电路。在一定条件下，石英晶片会产生压电效应：晶片两端的电场与机械形变会互相转化。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，晶体产生的振动和电场强度最大，这称为压电谐振，类似与LC回路的谐振。

图 1 石英晶体的电路符号、等效电路、电抗特性及外围电路图

　　由于晶体为无源器件，其对外围电路的参数较为敏感，尤其为负载电容。根据晶体的手册，我们得知测试电路中有推荐电容，此电容对晶体是否起振大有关联：

　　Cg、Cg称作匹配电容，是接在晶振的两个脚上的对地电容，其作用就是调节负载电容使其与晶振的要求相一致，需要注意的是Cg、Cg串联后的总电容值()才是有效的负载电容部分。Cic：芯片引脚分布电容以及芯片内部电容。△C：PCB走线分布电容，经验值为3至5pF。

　　在某项目上使用到的一款32.768kHz无源晶振，手册中负载电容推荐值为12.5pF。可见此值较为细小，微小的变化足以影响电路特性。

　　2.探头的影响

　　探头，其实跟示波器一样，都是测量系统的一部分，其正确使用与否很大影响着测试结果。当探头的探针点击测量点时，探头的接入会对被测电路造成影响，这被称为探头的负载效应。这种负载效应一般简化为电阻与电容的并联。在带宽500MHz以下的示波器，一般标配是1倍衰减或10倍衰减的无源探头，某些探头的衰减比可手动选择。不同衰减比的探头在带宽、输入电阻、输入电容上面都有差异：

图 2 ZP1025SA 1倍、10倍衰减时的参数差异

　　可见探头的输入电容，比晶体手册的负载电容要大。探头的介入，必定大大影响到原已参数优化好的电路，从而严重影响晶体电路的起振。两害相权取其轻，测量无源晶振时应优先选用10倍衰减探头。若10倍衰减探头的寄生参数还是过大，可以考虑选用有源高压差分探头，其负载参数优化得非常小，如Lecroy的ZP1000探头，输入阻抗可达0.9pF、1M欧姆。