扫频法测量32kHz晶振参数

许剑伟，吴琼烟

（福建省莆田第十中学，福建莆田 351100）

引 言

晶振的负载电容是晶振的重要参数，它影响晶振的频率精度。在时间计时电路中，要求时钟精确，此时必须选择正确的负载电容[1]。因各种原因，我们得到的晶振参数常常不明确，通过本文方法，可简单有效地测得32kHz晶振参数。

一、晶振等效电路

带时间功能的电子产品中，为了省电，一般要求采用低功耗时钟。对于超低功耗的时钟，只能选用100kHz以下的低频晶振。32768Hz（即32kHz）晶振的最大功驱动功率只有1uW，很适合作为时钟。这种晶振属于音叉晶振，其机械振动可转换为电信号。等效电路如图1所示。

图1

晶振等效为电感Ls与电容Cs串联，再与Co并联。

Ls与Cs是晶振的等效电感和等效电容。

r是Ls、Cs的串联谐振损耗电阻。

Co为晶振两个管脚以及封装的寄生电容，32kHz晶振一般为0.8pF至2pF不等。

Co较小，可以用数字电桥测量，测量时需要使用测试座进行测量；也可将测试夹夹在排针上，然后用镊子夹住晶振外壳，再将晶振的两个管脚压在排针上测得。

Cs非常小，Co/Cs一般在400至600。

从晶振两端看进去，存在两个谐振频率。Ls与Cs串联谐振，频率为此频率非常稳定；LsCs与Co并联谐振，频率为显然f与寄生电容C有关，所以f没有f那pops么明确；通过扫频，可以找到这两个频率。

由上述fp与fs公式可得因此C、C的os比值关系为：

晶振要准确谐振在fa=32768Hz，需要接上负载电容CL，等效为Co的值须增加到CL+Co才能谐振在32768Hz。记那么谐振频率fa与Ca关系为易得负载电容选择错误，会导致振荡频率不准确，利用上式绘制fa与Ca的关系曲线如图2所示。

图2

CL由晶振的规格书中给出。但由于种种原因，我们拿到的晶振CL值是未知的，甚至商家给出的CL也是错误的，所以必须实测，以便制作出准确的时钟。

二、扫频电路

晶振串联10千欧电阻R，然后接入DDS。用示数字波器测量电阻R上的信号，可得到晶振的电流、电压数据，从而计算晶振阻抗参数。图中，DDS信号峰峰值是Vd=1330mV。

32kHz晶振损耗电阻r一般为数十千欧。为了提高检测精度，R的取值应与r在同一量级。为了减小示波器表笔输入电容的影响，应使得示波器输入阻抗远大于R，所以R不宜取值过大。示波器表笔输入电容多在100pF左右，32kHz时阻抗约为50k，此时对幅值测量的影响大约为偏小(10/50)2/2=2%，64kHz时偏小8%。

扫频步骤：

（1）DDS频率调到32760Hz，然后人工以1Hz为间格逐频点步进频率，在示波器上找到幅度极大值。接下来改为0.1Hz步进细查，找到极值。记下频率fs及幅度Vs。

（2）DDS频率调到32780Hz，人工以1Hz为间格逐频点步进频率，在示波器上找到幅度极小值。记下频率fp及幅度Vp。

（3）DDS频率置为32000Hz，测得峰峰值Vc=2.8mV（不要直读示波器自动测量出来的显示值，因为其显示值含有噪声电压，请从示波器波形上读出，波形线条较粗，读取中间位置即可）。

因Vc较小，影响读数精度，所以，也可以使用64000Hz测量，这样读数会增加近一倍。频率提升后，表笔电容的影响增加，使得读数偏小，应修正8%。

此法可以测得晶振失谐后在电路中的电抗，从而计算出寄生电容Co。当然，所得的Co还包含晶振在电路中连接线的寄生电容。

（4）计算晶振参参数。

频率f=fs时，由分压关系计算损耗电阻

频率f=32000Hz时，由分压关系可得得得

三、测量实例

测量前，须使用频率计比对一下DDS频率误差。如有误差，须对结果进行修正。

笔者测得DDS实际输出信号频率比显示值多0.6Hz，所以对频率数据改正0.6Hz（主要修正fs即可）。

晶振：2*6mm，5ppm，测得参数

参数计算：

结 语

通过以上分析计算，扫频法测量关键在于测量出两个谐振频率fs和fp，然后在偏离32kHz较远的频点上（如32000Hz）测得Co，再利用计算出负载电容。如果需要测量损耗电阻，那么还需测得频率为fs时的振幅。

[1]程雯，戎蒙恬，李萍.用于实时时钟的32.768kHz晶振电路分析与设计[J].信息技术，2009，33(01)：15-17.