掃頻法測(cè)量32kHz晶振參數(shù)

許劍偉，吳瓊煙

（福建省莆田第十中學(xué)，福建莆田 351100）

引 言

晶振的負(fù)載電容是晶振的重要參數(shù)，它影響晶振的頻率精度。在時(shí)間計(jì)時(shí)電路中，要求時(shí)鐘精確，此時(shí)必須選擇正確的負(fù)載電容[1]。因各種原因，我們得到的晶振參數(shù)常常不明確，通過(guò)本文方法，可簡(jiǎn)單有效地測(cè)得32kHz晶振參數(shù)。

一、晶振等效電路

帶時(shí)間功能的電子產(chǎn)品中，為了省電，一般要求采用低功耗時(shí)鐘。對(duì)于超低功耗的時(shí)鐘，只能選用100kHz以下的低頻晶振。32768Hz（即32kHz）晶振的最大功驅(qū)動(dòng)功率只有1uW，很適合作為時(shí)鐘。這種晶振屬于音叉晶振，其機(jī)械振動(dòng)可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。等效電路如圖1所示。

圖1

晶振等效為電感Ls與電容Cs串聯(lián)，再與Co并聯(lián)。

Ls與Cs是晶振的等效電感和等效電容。

r是Ls、Cs的串聯(lián)諧振損耗電阻。

Co為晶振兩個(gè)管腳以及封裝的寄生電容，32kHz晶振一般為0.8pF至2pF不等。

Co較小，可以用數(shù)字電橋測(cè)量，測(cè)量時(shí)需要使用測(cè)試座進(jìn)行測(cè)量；也可將測(cè)試夾夾在排針上，然后用鑷子夾住晶振外殼，再將晶振的兩個(gè)管腳壓在排針上測(cè)得。

Cs非常小，Co/Cs一般在400至600。

從晶振兩端看進(jìn)去，存在兩個(gè)諧振頻率。Ls與Cs串聯(lián)諧振，頻率為此頻率非常穩(wěn)定；LsCs與Co并聯(lián)諧振，頻率為顯然f與寄生電容C有關(guān)，所以f沒(méi)有f那pops么明確；通過(guò)掃頻，可以找到這兩個(gè)頻率。

由上述fp與fs公式可得因此C、C的os比值關(guān)系為：

晶振要準(zhǔn)確諧振在fa=32768Hz，需要接上負(fù)載電容CL，等效為Co的值須增加到CL+Co才能諧振在32768Hz。記那么諧振頻率fa與Ca關(guān)系為易得負(fù)載電容選擇錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率不準(zhǔn)確，利用上式繪制fa與Ca的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2

CL由晶振的規(guī)格書(shū)中給出。但由于種種原因，我們拿到的晶振CL值是未知的，甚至商家給出的CL也是錯(cuò)誤的，所以必須實(shí)測(cè)，以便制作出準(zhǔn)確的時(shí)鐘。

二、掃頻電路

晶振串聯(lián)10千歐電阻R，然后接入DDS。用示數(shù)字波器測(cè)量電阻R上的信號(hào)，可得到晶振的電流、電壓數(shù)據(jù)，從而計(jì)算晶振阻抗參數(shù)。圖中，DDS信號(hào)峰峰值是Vd=1330mV。

32kHz晶振損耗電阻r一般為數(shù)十千歐。為了提高檢測(cè)精度，R的取值應(yīng)與r在同一量級(jí)。為了減小示波器表筆輸入電容的影響，應(yīng)使得示波器輸入阻抗遠(yuǎn)大于R，所以R不宜取值過(guò)大。示波器表筆輸入電容多在100pF左右，32kHz時(shí)阻抗約為50k，此時(shí)對(duì)幅值測(cè)量的影響大約為偏小(10/50)2/2=2%，64kHz時(shí)偏小8%。

掃頻步驟：

（1）DDS頻率調(diào)到32760Hz，然后人工以1Hz為間格逐頻點(diǎn)步進(jìn)頻率，在示波器上找到幅度極大值。接下來(lái)改為0.1Hz步進(jìn)細(xì)查，找到極值。記下頻率fs及幅度Vs。

（2）DDS頻率調(diào)到32780Hz，人工以1Hz為間格逐頻點(diǎn)步進(jìn)頻率，在示波器上找到幅度極小值。記下頻率fp及幅度Vp。

（3）DDS頻率置為32000Hz，測(cè)得峰峰值Vc=2.8mV（不要直讀示波器自動(dòng)測(cè)量出來(lái)的顯示值，因?yàn)槠滹@示值含有噪聲電壓，請(qǐng)從示波器波形上讀出，波形線(xiàn)條較粗，讀取中間位置即可）。

因Vc較小，影響讀數(shù)精度，所以，也可以使用64000Hz測(cè)量，這樣讀數(shù)會(huì)增加近一倍。頻率提升后，表筆電容的影響增加，使得讀數(shù)偏小，應(yīng)修正8%。

此法可以測(cè)得晶振失諧后在電路中的電抗，從而計(jì)算出寄生電容Co。當(dāng)然，所得的Co還包含晶振在電路中連接線(xiàn)的寄生電容。

（4）計(jì)算晶振參參數(shù)。

頻率f=fs時(shí)，由分壓關(guān)系計(jì)算損耗電阻

頻率f=32000Hz時(shí)，由分壓關(guān)系可得得得

三、測(cè)量實(shí)例

測(cè)量前，須使用頻率計(jì)比對(duì)一下DDS頻率誤差。如有誤差，須對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

筆者測(cè)得DDS實(shí)際輸出信號(hào)頻率比顯示值多0.6Hz，所以對(duì)頻率數(shù)據(jù)改正0.6Hz（主要修正fs即可）。

晶振：2*6mm，5ppm，測(cè)得參數(shù)

參數(shù)計(jì)算：

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析計(jì)算，掃頻法測(cè)量關(guān)鍵在于測(cè)量出兩個(gè)諧振頻率fs和fp，然后在偏離32kHz較遠(yuǎn)的頻點(diǎn)上（如32000Hz）測(cè)得Co，再利用計(jì)算出負(fù)載電容。如果需要測(cè)量損耗電阻，那么還需測(cè)得頻率為fs時(shí)的振幅。

[1]程雯，戎蒙恬，李萍.用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘的32.768kHz晶振電路分析與設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2009，33(01)：15-17.