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最新更新时间:2022-05-25
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振荡裕量



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振荡裕量


振荡裕量是指振荡停止的裕量,这是振荡电路中最重要的术语。

该裕量是以晶体谐振器电阻为基础的比值,表明振荡电路放大能力的大小。

理论上来说,在裕量大于或等于1时,振荡电路可以运行。但是,在振荡裕量接近1时,由于振荡启动时间过长等原因,模块运行可能会失败。可以通过增加振荡裕量来解决此类问题。


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测量-计算


振荡裕量可以使用如下方法计算振荡裕量:

振荡裕量 [倍] = |-R|/R1spec

其中:
  • |-R|: 负阻

  • R1spec: 规范中规定的晶体谐振器等效串联电阻超大值。


请参考晶体谐振器目录或数据表中的R1 spec值。可以测量实际振荡电路的负阻。最好使振荡裕量大于或等于5倍。



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测量-方法


1. 测量要求

  • PCB
  • 晶体谐振器 (具有等效电路常数数据)
  • 电阻 (SMD)
  • 测量仪器 (示波器、频率计数器或是其它可以观察振荡的仪器)


    常规振荡电路 : 通常由C-MOS逆变器 (包括MCU) 、反馈电阻 (通常包括MCU) 、阻尼电阻、外部负载电容和晶体谐振器组成。


2. 将电阻串联到晶体谐振器上,并检查振荡电路是否工作。


在测量负阻时,将电阻串联到晶体谐振器上。这个串联电阻并不在实际中使用。


3. 如果2) 证实有振荡,就增大电阻。如果没有振荡,就减小电阻。


4. 找出超大电阻 (=Rs_max) ,即振荡停止前的电阻。


5. 用Rs_max测量振荡频率。


6. 通过以下公式计算有效电阻RL


其中:

  • R1、L1、C1和C0是等效电路常数

  • fr是石英晶体响应频率


7. 通过以下公式计算负阻|-R|:



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测量-简单方法


我们可以用简单方法来查看一下振荡裕量是否超过5倍:


  • 准备一个晶体谐振器等效串联电阻额定电阻5倍的电阻器。

  • 将准备好的电阻器串联到晶体谐振器上。

  • 检查振荡电路是否正常工作。


判断:


  • 振荡电路是否正常工作,也就是振荡停止裕量大于等于5倍。

  • 如果振荡电路不工作,振荡停止裕量可能小于5倍。

  • 在振荡停止裕量小于5倍时,最好减小阻尼电阻或是外部负载电阻。


例如,针对下列电路需确定振荡裕量是否超过5,可以用这种简单方法做判断:

  • 在这种情况下,等效串联电阻的额定值是100ohm。

  • 在晶体谐振器上串联510ohm电阻。

  • 在此条件下,检查电路是否能保持振荡。

  • 如果振荡可以启动并持续,那么这个电路的振荡裕量就超过了5倍。


振荡电路: 测量负阻 (简单方法)



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判断


请使用振荡裕量大于5倍的振荡电路。

在实际使用中,从理论上来说,如果振荡裕量大于或等于1倍,应通过振荡电路是否工作来考虑振荡裕量的变化。

如果振荡裕量较低,很可能会出现振荡故障。因此,最好检查一下振荡裕量,并考虑电路条件,以保持足够的振荡裕量。



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注意


1. 影响振荡裕量的不仅是晶体谐振器特性,还有组成振荡电路的元件 (MCU、电容器和电阻器) 。因此,在使用MCU组装模块时,尽量检查一下振荡裕量。


2. 尽量对串联的电阻器进行评估。请不要在实际使用中使用此类电阻器。


3. 尽量检查模块的功能。振荡电路的频移很可能会造成模块无法正确工作。


4. 在测量中应当使用夹具和插座,但是它们的杂散会对振荡裕量产生影响。


驱动功率



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驱动功率


  • 驱动功率是指振荡电路工作时晶体谐振器的功耗。
  • 保持晶体谐振器低于驱动功率是很重要的。
  • 超过驱动功率,可能会引起频率和等效串联电阻的意外变化。


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测量-计算


按如下方法计算驱动功率:
驱动功率 = I2・R1
其中:
I: 驱动功率 [有效值]
R1: 晶体谐振器的等效串联电阻

驱动功率是指在振荡电路工作时通过晶体谐振器的电流。可以在实际振荡电路上测量励样子电流。

可以通过网络分析仪等仪器来测量R1。


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测量-实例


1. 测量设备和装置

  • PCB

  • 晶体谐振器 (具有等效电路常数数据)

  • 示波器、电流探针


2. 焊接一根引线,并如下图所示放置电流探针。


振荡电路: 正常条件
只测量通过晶体谐振器的电流。所以应将电流探针放于A点。

连接电流探针
从水晶盘的一侧脱焊,并通过穿过电流探针的引线连接到PCB上。

3. 给PCB提供电压,并在示波器上观察励样子电流波形。

4. 计算励样子电流的有效值

如果波形是正弦波或与之类似的波形,就使用Ip-p/2√2计算有效值数字示波器具有读取有效值的功能。

5. 通过上述公式计算驱动功率。



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判断


测量的驱动功率不应超过晶体谐振器规格的驱动功率。

振动频率



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振动频率


振动频率是指与晶体谐振器一起工作的振荡电路的实际频率。振动频率由晶体谐振器决定,并受MCU、外部负载电容、PCB杂散电容等的影响。


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测量-计算


振动频率通过以下方程来计算:

其中:
  • fL:负载共振频率
  • fr: 共振频率
  • Cs: 负载电容
  • C0、C1: 等效电路常数



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测量-方法1


1. 测量设备和装置

  • 振荡电路
  • 频率计数器
  • 放大器 (或是带有输出信号的示波器)
  • 探针
2. 按照下图所示准备测量设备。请尽可能延长示波器中Y轴的范围。
3. 让探针尽可能靠近振荡电路。
4. 从频率计数器上读取频率。

振荡电路: 使用计数器测量频率

注意:

  • 请不要让探针触碰振荡电路。由于探针的输入电容,实际振荡频率会降低。
  • 请注意,示波器中显示的频率精度是不够的。
  • 请注意数字示波器因量化误差而产生的采样率或平均数。



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测量-方法2


1. 测量设备和装置
  • 振荡电路

  • 光谱分析仪

  • 天线 (可以用作天线的同轴电缆)

2. 按照下图准备测量设备。
3. 让天线尽可能靠近振荡电路。
4. 读取光谱分析仪响应的峰值频率。

振荡电路: 通过光谱分析仪测量频率

注意:

  • 请不要让天线触碰振荡电路。
  • 请使用小量程的光谱分析仪测量响应,以提高精度。


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注意事项


测量频率时,为了防止对探针等产生的影响,不要让任何物体接触振荡电路,这很重要。如果探针接触振荡电路联通探针电容,会使振荡频率偏移。



振动幅度



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振荡幅度


振荡幅度指在振荡电路的输入和输出端的电压幅度。


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测量方法


1. 测量设备和装置
  • 振荡电路

  • 示波器

  • 探针


2. 将探针连接到MCU (变频器) 的输入或输出端,并且读出示波器中波形的峰值。

振荡电路/测量振荡幅度


3


注意事项


  • 用于此种测量的示波器和探针的频率调节能力应当比测量频率的高两倍以上。

  • 最好使用高阻抗探针来防止对振荡电路的影响。

    特别是最好避免将无源探针连接到变频器的输入端。

    经验证,示波器装备的无源探针通常比逆变器输入阻抗低,而且还会造成振荡停止。

    村田通常使用阻抗为10Mohm/2pF的探针。

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