如何测试板上的晶体谐振器?

电器工程 振荡器 示波器 水晶 测试 频率测量
2022-01-28 09:58:44

我的 pcb 板上有 2 个石英晶体谐振器:32.768 kHz 和 20 MHz。它们连接到飞思卡尔 MC12311 收发器 IC,其中嵌入了 HCS08 微控制器。我想测试这些晶体是否正常工作。

可用工具:示波器、频率计(数字计数器)、数字万用表。

我应该如何使用这些工具来测试板上的晶体?

  • 注意可能应该考虑探头的电容负载效应。否则,测量将不准确,甚至更糟糕的是,晶体根本无法工作。

Edit1:我同时使用了示波器和频率计(带有 x10 探头),但不幸的是,根本没有任何监控。

4个回答

如我所见,没有接受任何答案。让我提供另一个答案。

大多数现代 IC 使用所谓的皮尔斯振荡器来使用晶体生成稳定的时钟。以下是主电路配置:

在此处输入图像描述

可以看出,电路不是对称的:右侧是某个驱动器的输出(通常称为 XO),左侧是反相放大器的输入(通常称为 XI)。因此,只要探头具有相对较高的阻抗,探测 XO(输出)端是相对安全的。具有 1M 输入阻抗的通常 1:10 无源探头应该可以完成这项工作。在实践中,电路放大器中的输出驱动器有意设计得很弱,通常不超过 1mA 的负载能力,以防止 Xtal 被过度驱动,但 1mA 应该足以驱动 1M 示波器探头。

探头尖端电容可能会使振荡频率偏移 20-50ppm,因为它会改变电路调谐(Xtal 负载,C1 与 C2 串联)。但是,XO 上的探头负载不应破坏振荡,除非整个电路过于边缘且不符合​​稳定性标准(放大器的负阻抗应为 Xtal ESR 的 3-5 倍)。如果探测器这样做,则认为 Xtal 测试失败。

永远不要尝试探测 XI 输入,也许只能使用 100 MOhm 探头,而且只是出于好奇。原因不在于尖端电容(2-8-12pF 或 wahtever),而是由于有限的探头阻抗而在 XI 引脚上造成直流偏移。皮尔斯振荡器是一个非常精细的非线性电路,它有一个非常重要的直流反馈元件 R1,它有效地将输入直流电平调节到最大放大点,通常大约是从地到 Vcc 的一半。分量R1通常为1MOhm及以上,振荡以自选直流点为中心。即使连接一个 10MOhm 的探头也会使这一点向下移动,放大下降,振荡消失。

而且,当然,测试振荡的最佳方法不是用探针接触它,而是有一个内部缓冲器,输出到其他一些 GPIO 测试引脚。

我曾经在使用 Atmel ATMEGA328P 控制器时遇到过类似的调试问题,8Mhz 陶瓷谐振器似乎无法正常工作。我有一台 Rigol 双通道便宜的示波器,并且已经对我之前制作的工作板进行了示波器检查,并且很容易看到漂亮的 8Mhz 信号,由于探头加载而没有问题。您不必担心探头对晶体的影响。

我发现的主要问题是用于驱动晶体的控制器没有正确设置保险丝以使用外部晶体。一旦我烧毁了保险丝以选择外部晶体,谐振器就显示出生命迹象!

因此,确保连接到晶体的微控制器已设置为使用晶体实际上是一个好点,否则没有任何东西可以驱动电源使其振荡。一旦确定是这种情况,您就可以开始查看是否是 PCB 或其他走线问题、接地问题、错误引脚等。

外部组件使振荡器看起来对称,但芯片上的放大器却不是。输出侧的振荡器引脚阻抗较低,将示波器探头放在那里不会像探测输入引脚那样影响它。

如果它在振荡,则输出的幅度将大于输入;它也可能不是一个很好的正弦波。输入端会更低,应该是正弦波(已被晶体过滤)。

如果它不振荡,输入会比较嘈杂,应该是电源电压的一半。输出引脚看起来更干净,可能位于 VDD 或接地。其中一些会随着芯片的设计(和配置)而变化。

如果您有一个敏感的通信接收器,例如业余无线电中使用的那些,在接收器天线输入端和距离振荡器电路一英寸的另一端之间连接一根电线,甚至不接触电路,将接收器调谐到晶体频率附近,你应该听到一个节拍。并且,找出确切的频率。