晶振是控制系统运行节拍的电路中重要的电子元件。晶振有多种类型，基于不同的应用场景，它是一种便宜而广泛使用的产品。当使用示波器测量无源晶体振动的输出频率时，经常会发现晶体振动有输出信号、晶体振动不振动等异常情况。本文将讨论这种情况。
准确地说，无源晶振应该被称为Crystal(晶体)，有源晶振称为Oscillator(振荡器)。石英晶片两端镀有电极，两管脚无极性。无源晶振本身无法冲击，工作时需要配备外围电路。石英晶片在一定条件下会产生压电效应：晶片两端的电场和机械变形会相互转化。当外交变电压的频率等于晶片的固有频率时，晶体产生的振动和电场强度最大，称为压电谐振，类似于LC回路谐振。
图 1 石英晶体的电路符号、等效电路、电抗特性和外围电路图
由于晶体是一个无源设备，它对外围电路的参数更敏感，特别是负载电容器。根据晶体手册，我们了解到测试电路中有推荐的电容器，这与晶体的振动有很大关系：
Cg、Cg称为匹配电容，是连接晶体振动两脚的对地电容。其功能是调整负载电容，使其符合晶体振动的要求。需要注意的是Cg、Cg串联后的总电容值(
)是负载电容的有效部分。Cic：芯片引脚分布电容和芯片内部电容。△C：PCB电容器的布线分布值为3-5pF。在某个项目个项目.768kHz手册中负载电容的推荐值为12.5pF。可见这个值比较小，微小的变化足以影响电路特性。事实上，探头和示波器一样，是测量系统的一部分，其正确使用对测试结果影响很大。探头的探针点击测量点时，探头的接入会影响被测电路，称为探头的负载效应。这种负载效应通常简化为电阻和电容并联。在带宽500MHz以下示波器一般标配为1倍衰减或10倍衰减的无源探头，可手动选择某些探头的衰减比。带宽、输入电阻、输入电容等方面存在差异：
图 2 ZP1025SA 1倍和10倍衰减时的参数差异
可见探头的输入电容大于晶体手册的负载电容。探头的干预必然会极大地影响原参数优化的电路，从而严重影响晶体电路的振动。两害相权取其轻，10倍衰减探头应优先测量无源晶振。如果10倍衰减探头的寄生参数仍然过大，可以考虑选择有源高压差探头，其负载参数优化很小，如Lecroy的ZP1000探头，输入阻抗可达0.9pF、1M欧姆。
选择合适的测量点：
由于晶体两端非常敏感，不方便连接探头进行测量，因此可以改变其他地方测量信号的想法。一些时钟芯片带clock out这个功能是功能buffer晶体的信号，其管脚的输出是有很强大的驱动能力的，因此可以直接使用探头测量。晶体发出的时钟输入到处理器中，计时器可以用来分频信号，然后将分频信号输出到管脚。这样，我们就可以在分频后测量信号来计算原始时钟的频率。这种间接测试方法只能测试晶体的频率，而不能测量晶体输出信号的范围。如果能在设备的工况范围内测试其频率的准确性，晶体电路的工作就是OK的。
图 3 测量芯片的缓冲功能和计数器功能
如果信号驱动能力强，可以考虑非接触测试方案:近场探头。近场探头配有频谱仪或示波器FFT峰值电压的频率可以通过分析功能来测量。由于是非接触方案，探头没有负载效应，但此时应注意频谱仪FFT分析的频率分辨率会影响测量结果的步进和精度。
Tip：如何测量频率？
如何测量晶体的输出信号？在我们公司ZDS系列示波器中，可以选择硬件频率计、频率参数测量、上升沿参数测量等方法。
实现硬件频率计时，有测量周期和脉冲数的算法。这两种不同的测试方法将根据输入信号的频率选择，以期待测量值更准确。当信号频率为小时时，将选择测量周期的方法来测量信号周期。周期的倒数是频率。该方法的误差源于测量周期计时钟的频率；当信号频率较大时，将选择脉冲测量的方法来测量标准时间内信号上升边缘的数量。该方法的误差是标准时间内的选择。
在参数测量的时间参数中，有频率测试项。该测试项是为了获得两个上升边缘之间的时差，然后是倒数频率。该测试项的误差在于上升边缘的确定和周期计时频率，受当前采样点采样率的限制。
在参数测量的统计参数中，有一种上升沿计数的方法，其原理是测量上升沿的数量。在测试中，测量范围可选择光标区域，光标范围为200ms，上升沿乘以5，即信号频率。
图 4 上升沿计数测量界面图
选用信号发生器输出不同频率的信号，使用上述三种方法测得频率如表 1所示。表 1 不同测量方法测量的频率对比表
可见三者测量结果差别不大，硬件频率计分辨率较高，参数测量有效位数仅为5位。该信号发生器输出频率的准确性是±1ppm，示波器内晶体振动的频率为±2ppm，在上述的24MHz在硬件频率计中，测量精度为80Hz/24MHz=3.33ppm，基本在仪器的测量精度内。在某些情况下，参数测量值更接近真实值，这是因为它的有效位数不够，硬件频率计更准确。
本文简要分析了负载敏感无源晶体振动信号的测量，阐述了探头接入对电路负载效应的影响，也适用于输出阻抗大的电路。