石英晶體的化學(xué)成分是二氧化硅，可以用做振蕩電路，是利用它的壓電效應(yīng)。當(dāng)交變電壓施加于石英晶片時(shí)，晶片將隨交變電壓的頻率產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動(dòng)；同時(shí)，機(jī)械振動(dòng)在晶片產(chǎn)生電荷而形成交變電流。一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅很小，而振動(dòng)頻率很穩(wěn)定。但當(dāng)外加信號(hào)源的頻率與晶體的固有頻率相等時(shí)，晶體便發(fā)生共振，此時(shí)晶體外電路的交變電流也最大，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為石英晶體的壓電諧振。因?yàn)榫w振蕩電路的頻率穩(wěn)定性很好，所以廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)中，為其提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。
1.頻率測(cè)試方法
晶體的參數(shù)有很多，主要包括：振蕩頻率及其偏差、負(fù)載電容、驅(qū)動(dòng)功率、等效阻抗、Ｑ值、工作溫度等，晶體振蕩電路最重要的就是保持工作在一個(gè)穩(wěn)定的頻率，所以本次討論的也是針對(duì)頻率的測(cè)試。
先簡(jiǎn)單了解下面三種儀器：示波器、頻率計(jì)、頻譜分析儀。示波器作為“工程師的眼睛”，設(shè)定觸發(fā)條件后可以抓取到波形，然后針對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行豐富的函數(shù)分析，其中一個(gè)函數(shù)就是測(cè)量頻率值。而頻率計(jì)顧名思義，是用來(lái)測(cè)試信號(hào)頻率的專(zhuān)業(yè)儀器，當(dāng)然也可以獲得信號(hào)的其他信息，例如信號(hào)的電平值。最后說(shuō)到的頻譜分析儀通常用在射頻領(lǐng)域，來(lái)觀察和分析被測(cè)信號(hào)的頻域特性，而我們常用其配合近場(chǎng)探頭來(lái)掃描電磁干擾的功率峰值以及找到其對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)，初步判定輻射源屬性。
第一眼看上去這三種儀器用途各不相同，但其實(shí)都可以用來(lái)測(cè)試晶體振蕩電路的頻率。
如果使用示波器或者頻率計(jì)，配合無(wú)源電壓探頭點(diǎn)測(cè)芯片的時(shí)鐘輸入引腳，就可以測(cè)量到頻率，如下是各部分的電路結(jié)構(gòu)：
其中：
C1、C2是晶體的負(fù)載電容，影響到頻率、負(fù)性阻抗等電路參數(shù)
R3、C3是無(wú)源電壓探頭的電路參數(shù)，R3是9Mohm，C3是幾個(gè)pF不等
R4、C4是示波器或者頻率計(jì)輸入通道的等效阻抗和電容，R4是1Mohm，C4是幾十pF不等
如果使用頻譜分析儀，配合近場(chǎng)探頭靠近晶體封裝外殼就可以探測(cè)到輻射功率峰值的頻率，這個(gè)頻率也是晶體電路的振蕩頻率。
現(xiàn)在問(wèn)題的焦點(diǎn)并不是能否測(cè)試，而是哪一種儀器的測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確 ?
2.頻率測(cè)試準(zhǔn)確性的理論分析
2.1儀器對(duì)電路的影響
如果使用示波器或者頻率計(jì)，就需要無(wú)源電壓探頭配合測(cè)試，那么首先考慮的是儀器對(duì)負(fù)載電容的影響。晶體振蕩電路的并聯(lián)諧振頻率公式：
，其中：C1、C2是負(fù)載電容，Cs是印制板的寄生電容
Cp是晶體的等效并聯(lián)電容
從上面的電路結(jié)構(gòu)上看，C3、C4串聯(lián)后的電容會(huì)并聯(lián)到C1上，結(jié)果使負(fù)載電容量增大，最終導(dǎo)致振蕩頻率減小。而如果C3、C4的容值越小，對(duì)電路的影響也就越小。但限于目前的測(cè)試系統(tǒng)，C3和C4串聯(lián)后的電容值是幾個(gè)pF的級(jí)別，而C1通常是20~30pF，所以?xún)x器對(duì)負(fù)載電容量的影響在10%以上，最終會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生幾個(gè)ppm（單位，百萬(wàn)分之一）的頻率偏差，通常電路設(shè)計(jì)對(duì)晶體頻偏的要求是30ppm左右，所以這個(gè)影響還是不能忽視的。
但如果使用頻譜分析儀，配合近場(chǎng)探頭測(cè)試，因?yàn)閮H在空間上有電磁場(chǎng)的耦合，所以?xún)x器的影響可以忽略。從這個(gè)角度上看，頻譜分析儀更適合測(cè)量晶體頻率。
2.2儀器測(cè)量頻率的精度
從下面兩個(gè)方面來(lái)分析儀器的哪些參數(shù)影響到測(cè)量精度
-內(nèi)部時(shí)鐘精度
-測(cè)量值分辨率
初步定性分析，頻率計(jì)作為專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備，內(nèi)部時(shí)鐘精度不差，從定期的儀器校驗(yàn)結(jié)果看，精度高于1ppm，特別是它的分辨率12bit是非常高的；頻譜分析儀的時(shí)鐘精度看上去也可以，而且1Hz的分辨率滿(mǎn)足測(cè)試要求，但實(shí)際掃描到功率峰值的頻率是否穩(wěn)定還需要驗(yàn)證；而示波器的時(shí)鐘精度看上去與前兩者相差并不大，但需要考慮到：量化誤差（前端信號(hào)采集系統(tǒng)的8位ADC引起的信號(hào)幅度測(cè)量誤差）引起的垂直電平測(cè)量不準(zhǔn)確性，以及采樣率不足等因素都會(huì)引起水平軸的測(cè)量誤差，最終導(dǎo)致頻率值測(cè)量誤差，而且其分辨率情況需要實(shí)測(cè)驗(yàn)證。
