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        掃頻法測量32kHz晶振參數(shù)

        2018-06-07 07:15:27許劍偉吳瓊煙
        名師在線 2018年6期
        關(guān)鍵詞:寄生電容晶振示波器

        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,通過本文方法,可簡單有效地測得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)字電橋測量,測量時(shí)需要使用測試座進(jìn)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(gè)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(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沒有f那pops么明確;通過掃頻,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)系曲線如圖2所示。

        圖2

        CL由晶振的規(guī)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(cuò)誤的,所以必須實(shí)測,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)對幅值測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,測得峰峰值Vc=2.8mV(不要直讀示波器自動(dòng)測量出來的顯示值,因?yàn)槠滹@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(shù)精度,所以,也可以使用64000Hz測量,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、測量實(shí)例

        測量前,須使用頻率計(jì)比對一下DDS頻率誤差。如有誤差,須對結(jié)果進(jìn)行修正。

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

        晶振:2*6mm,5ppm,測得參數(shù)

        參數(shù)計(jì)算:

        結(jié) 語

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

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