掃頻法測量32kHz晶振參數

許劍偉，吳瓊煙

（福建省莆田第十中學，福建莆田 351100）

引 言

晶振的負載電容是晶振的重要參數，它影響晶振的頻率精度。在時間計時電路中，要求時鐘精確，此時必須選擇正確的負載電容[1]。因各種原因，我們得到的晶振參數常常不明確，通過本文方法，可簡單有效地測得32kHz晶振參數。

一、晶振等效電路

帶時間功能的電子產品中，為了省電，一般要求采用低功耗時鐘。對于超低功耗的時鐘，只能選用100kHz以下的低頻晶振。32768Hz（即32kHz）晶振的最大功驅動功率只有1uW，很適合作為時鐘。這種晶振屬于音叉晶振，其機械振動可轉換為電信號。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，再與Co并聯。

Ls與Cs是晶振的等效電感和等效電容。

r是Ls、Cs的串聯諧振損耗電阻。

Co為晶振兩個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，可以用數字電橋測量，測量時需要使用測試座進行測量；也可將測試夾夾在排針上，然后用鑷子夾住晶振外殼，再將晶振的兩個管腳壓在排針上測得。

Cs非常小，Co/Cs一般在400至600。

從晶振兩端看進去，存在兩個諧振頻率。Ls與Cs串聯諧振，頻率為此頻率非常穩定；LsCs與Co并聯諧振，頻率為顯然f與寄生電容C有關，所以f沒有f那pops么明確；通過掃頻，可以找到這兩個頻率。

由上述fp與fs公式可得因此C、C的os比值關系為：

晶振要準確諧振在fa=32768Hz，需要接上負載電容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關系為易得負載電容選擇錯誤，會導致振蕩頻率不準確，利用上式繪制fa與Ca的關系曲線如圖2所示。

圖2

CL由晶振的規格書中給出。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也是錯誤的，所以必須實測，以便制作出準確的時鐘。

二、掃頻電路

晶振串聯10千歐電阻R，然后接入DDS。用示數字波器測量電阻R上的信號，可得到晶振的電流、電壓數據，從而計算晶振阻抗參數。圖中，DDS信號峰峰值是Vd=1330mV。

32kHz晶振損耗電阻r一般為數十千歐。為了提高檢測精度，R的取值應與r在同一量級。為了減小示波器表筆輸入電容的影響，應使得示波器輸入阻抗遠大于R，所以R不宜取值過大。示波器表筆輸入電容多在100pF左右，32kHz時阻抗約為50k，此時對幅值測量的影響大約為偏小(10/50)2/2=2%，64kHz時偏小8%。

掃頻步驟：

（1）DDS頻率調到32760Hz，然后人工以1Hz為間格逐頻點步進頻率，在示波器上找到幅度極大值。接下來改為0.1Hz步進細查，找到極值。記下頻率fs及幅度Vs。

（2）DDS頻率調到32780Hz，人工以1Hz為間格逐頻點步進頻率，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，測得峰峰值Vc=2.8mV（不要直讀示波器自動測量出來的顯示值，因為其顯示值含有噪聲電壓，請從示波器波形上讀出，波形線條較粗，讀取中間位置即可）。

因Vc較小，影響讀數精度，所以，也可以使用64000Hz測量，這樣讀數會增加近一倍。頻率提升后，表筆電容的影響增加，使得讀數偏小，應修正8%。

此法可以測得晶振失諧后在電路中的電抗，從而計算出寄生電容Co。當然，所得的Co還包含晶振在電路中連接線的寄生電容。

（4）計算晶振參參數。

頻率f=fs時，由分壓關系計算損耗電阻

頻率f=32000Hz時，由分壓關系可得得得

三、測量實例

測量前，須使用頻率計比對一下DDS頻率誤差。如有誤差，須對結果進行修正。

筆者測得DDS實際輸出信號頻率比顯示值多0.6Hz，所以對頻率數據改正0.6Hz（主要修正fs即可）。

晶振：2*6mm，5ppm，測得參數

參數計算：

結 語

通過以上分析計算，掃頻法測量關鍵在于測量出兩個諧振頻率fs和fp，然后在偏離32kHz較遠的頻點上（如32000Hz）測得Co，再利用計算出負載電容。如果需要測量損耗電阻，那么還需測得頻率為fs時的振幅。

[1]程雯，戎蒙恬，李萍.用于實時時鐘的32.768kHz晶振電路分析與設計[J].信息技術，2009，33(01)：15-17.