如何用示波器测量晶振？

如何用示波器测量晶振？

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/2409_87378937/article/details/143945927

常见晶振类型
晶体振荡器（简称晶振）是一种产生稳定频率信号的电子元件，广泛应用于通信设备、计算机、钟表和其他需要精确时间基准的设备中。包括石英晶体振荡器（QCO）、陶瓷振荡器、温补晶体振荡器（TCXO）、压控晶体振荡器（VCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO）等。可以划分为有源晶振和无源晶振两种，它们之间的区别主要如下。
无源晶振（Passive Crystal Oscillator）

• 结构：无源晶振通常只有一个石英晶体，不包含任何主动电路。
• 外部驱动：需要外部振荡电路来产生振荡信号。
• 功耗低：由于自身没有主动电路，功耗较低。
• 频率范围：常见频率范围从几千赫兹到几十兆赫兹。
• 应用场景：广泛用于微控制器、单片机等需要精确时钟源的电路中。
  有源晶振（Active Crystal Oscillator）
• 结构：内含石英晶体和必要的振荡电路（如反相放大器）。
• 自带振荡电路：不需要额外的外部电路就能生成稳定的时钟信号。
• 功耗高：由于包含主动电路，功耗相对较高。
• 频率范围：频率范围更广，甚至可以达到几百兆赫兹以上。
• 应用场景：常用于需要高稳定性、高精度时钟源的场景，如通信设备、计算机主板等。
  具体应用比较：
  参数 无源晶振 有源晶振
  电路需求 需要外部振荡电路 自带振荡电路，无需外部电路
  功耗 低 较高
  启动时间 长 短
  频率范围 一般为几kHz至几十MHz 可达几百MHz甚至更高
  成本 低 高
  应用场景 微控制器、单片机等 通信设备、计算机主板、高精度计时装置

使用示波器测量晶振频率
所需工具和设备

• 示波器
• 探头
• 晶振测试电路（或实际电路板）
  步骤一：准备工作

1. 确保安全：在操作电子设备前，确保工作区域干燥并采取必要的防静电措施。
2. 选择示波器：晶振信号一般为方波或正弦波信号，因此测量晶振选用示波器时需要对信号类型先做判定。如果是正弦波，示波器带宽可以按照能覆盖信号频率选择。如果是方波信号，示波器带宽需要按照大于5倍信号频率进行选择。
3. 选择探头：测量晶振信号时，选择合适的探头至关重要，因为探头的性能会直接影响到测量结果的准确性和稳定性。以下是一些选择探头时需考虑的关键因素与建议：
   I．探头带宽

• 高频响应：探头的带宽应至少是被测信号频率的3-5倍，以确保捕捉到信号的所有细节。例如，如果测量的是20 MHz的晶振信号，推荐使用100 MHz或更高带宽的探头。
• 避免失真：低带宽探头可能导致信号失真和衰减，从而影响测量结果。
  II. 探头阻抗
• 高输入阻抗：通常需要选择高输入阻抗（如10 MΩ）的探头，以减少对电路的负载效应。
• 低电容：探头的输入电容应尽量小，以减少对高频信号的影响。
  III. 探头类型
• 无源探头：无源探头（如10X无源探头）广泛应用于各种测量场景，其优点是结构简单、价格低廉，但在高频应用中可能存在一定局限性。
• 有源探头：有源探头内置放大电路，具有较高的带宽和输入阻抗，非常适合高频测量，但费用相对较高。
  IV. 探头接地
• 短接地引线：为了减少接地回路中的寄生电感和噪声干扰，使用短的接地引线或带弹簧接地配件的探头。
• 良好接地：确保探头接地点与被测点的地保持良好接触，避免浮地测量导致的信号失真。
  V. 探头的补偿
• 正确补偿：使用无源探头时，要进行探头补偿，以确保探头的频率响应平坦，避免引入误差。

1. 连接探头：将示波器探头正确连接到示波器输入端，设置对应探头比，并确保探头接地良好进行校准。
   步骤二：选择测试点
   找到晶振输出信号的适当测试点。通常，这可以是在放大器、混频器或缓冲器后的节点。确保不要直接将探头连接到晶振引脚，因为可能会影响晶振的正常工作。在电路板上的触电一般比较小，对于经常测试的触电可以选择焊锡丝的方式把探头固定在电路板上。
   
   步骤三：设置示波器
2. 耦合模式：将示波器设置为直流耦合模式（DC Coupling），以便观测整个信号波形。
3. 时间基准：调整示波器的时间基准，使一个或多个周期的信号能够清晰显示在屏幕上。
   
4. 触发设置：设置触发电平和触发模式（通常选择边沿触发模式），以稳定地捕捉信号。
   如果没有设置合适的触发电平使波形稳定触发，会出现如下图的现象，无法观测波形
   步骤四：测量频率
5. 将探头尖端接触到选定的测试点，观察示波器屏幕上的波形。
6. 使用示波器上的“自动测量”功能（如有）或者手动测量两个完整周期的时间，然后计算频率。频率等于周期的倒数，即：
   F=1/T其中 F为频率，T为周期。
   
7. 如果示波器自带频率测量功能，可以直接读出频率数值。
   
   通过频率的测量，我们可以对测量晶振的输出频率进行验证。示波器上显示的频率稳定不变说明晶振输出稳定。
   步骤五：信号质量分析
   打开示波器的实时眼图功能，通过眼图形状与测量数据分析信号的质量好坏。眼图迹线越细则表明晶振信号的稳定性越好，反之则越差。
   
   眼高（Eye Height）：

• 定义：眼图中上下轨之间的垂直距离。
• 意义：眼高反映了信号的幅度裕度，较高的眼高表示信号对噪声的抵抗能力强。
  眼宽（Eye Width）：
• 定义：眼图中开口部分的水平跨度。
• 意义：眼宽反映了时序裕度，较宽的眼宽表示信号有较少的抖动和更好的时序稳定性。
  Q因子（Q Factor）
• 定义：Q 因子是用于测量眼图信噪比的参数
• 意义：它的定义是接收机在最佳判决门限下信号功率和噪声功率的比值，可适用于各种信号格式和速率的数字信号，其计算公式如下：
• 其中，“1”电平的平均值top P与“0”电平的平均值base P 的差为眼幅度，“1”信号噪声有效值1s与“0”信号噪声有效值0 s 之和为信号噪声有效值。Q 因子综合反映眼图的质量问题。Q 因子越高，眼图的质量就越好，信噪比就越高。Q 因子一般受噪声、光功率、电信号是否从始端到终端阻抗匹配等因素影响。一般来说，眼图中1 电平的这条线越细、越平滑，Q 因子越高。在不加光衰减的情况下，发送侧光眼图的Q 因子不应该小于12，接收测的Q 因子不应该小于6 。
  上升/下降时间（Rise/Fall Time）：
• 定义：信号从低电平转变为高电平（上升）或从高电平转变为低电平（下降）的时间。
• 意义：上升和下降时间越短，信号的带宽越高；过长的上升或下降时间会导致码间干扰（ISI）。
  打开示波器抖动测量功能，通过直方图可以判断抖动类型，同时可以通过测量参数得到具体的抖动情况。信号抖动越小也就反应晶振的信号稳定性越好。
• 
  测量结果中包含如下测量项：
  • Tj :总体抖动 Tj (Total Jitter)。
  • Rj :随机抖动 Rj (Random Jitter)符合高斯型分布，源可能是热噪声、散粒噪声、随机噪
  声，非平稳干扰。
  • Dj :确定性抖动 Dj (Deterministic Jitter)是非高斯分布并且有界，确定性抖动的 PDF 函
  数呈现离散分布。可能是带宽限制、反射、串扰、EMI、地面反弹、周期调制产生。
  • Pj :周期性抖动 Pj (Periodic Jitter)。Pj 的 TIE 随时间的变化是重复的、周期性的，例如
  测量周期性波形，系统时钟（抖动频率在 MHz 量级）或开关电源（抖动频率在 KHz 量
  级）。
  • DDJ : 数据相关抖动 DDJ (Data-Dependent Jitter)。
  • DCD : 占空比失真抖动 DCD (Duty Cycle Distortion)，反映了上升时间和下降时间不对
  称或者测试时参考电平选择不当。眼图中的眼交叉比和占空比类似。
  • ISI : 码间干扰 ISI (Inter-Symbol Interference)又称为数据相关抖动(DDJ)或码型相关性
  抖动（PDJ）。由于传输链路的效应、反射等造成。
  由于阻抗不匹配导致信号发射。被发射的信号叠加在原信号上导致信号幅度增加而最终
  使转换电平所耗费的时间更多。所以连续不变码会到达更高的电平，在跳变时需要更多
  的时间才能到达门限电平，导致信号抖动。因为这个抖动的幅度与码型相关，所以又称
  码型相关抖动。
  • BR : 码率 BR(Bit Ratio)。
  注意事项
• 探头衰减：确保示波器探头设置为合适的衰减比例（如 10X），以获得准确的测量结果。
• 负载效应：避免探头对电路造成不必要的负载效应，导致测量误差。使用高阻抗探头会有所帮助。
• 滤波干扰：若信号存在较大的噪声，可以使用示波器的滤波功能来平滑波形，从而得到更准确的读数。
  总结
  晶振在现代电子设备中起着重要作用，其类型多样，包括石英晶体振荡器、陶瓷振荡器、温补晶体振荡器、压控晶体振荡器和恒温晶体振荡器等。每种晶振有其独特的优点和应用场景。使用示波器测量晶振频率是一项基本技能，通过正确的方法和步骤，可以准确评估晶振的工作性能。