Question

为什么有的晶振用示波器测不出波形？

在一块PCB硬件电路板上，接了多个2个脚的晶振，大家俗称的“无源晶振”，给这块电路板供电，用示波器测波形。其中一个晶振有规则的正弦波，另一个无波形，经检测，发现根本没起振。请问可能是什么原因？

Answer 1

在电子电路设计和调试过程中，晶振（Crystal Oscillator）是非常常见的元件，用于稳定提供频率精准的时钟信号。然而，有时使用示波器测量晶振输出波形时会遇到测不到波形或波形失真的情况。这种现象可能由多种因素引起，包括电路设计、测量方法、探头特性等。下面我们将详细讨论这些可能的原因。

一、电路设计问题

1. 晶振启动失败

晶振需要一个启动周期才能正常振荡。如果晶振没有正确启动，输出就不会有预期的波形。启动失败可能由以下几点引起：

·       负载电容不匹配：晶振需要特定范围的负载电容才能正常工作，如果负载电容值偏离太多，晶振可能无法启动。

·       驱动能力不足：如果驱动电路（如微控制器或振荡电路）的驱动能力不足，晶振也可能无法启动。

·       损坏或质量问题：晶振本身损坏或质量问题也可能导致无法正常工作。

2. 电源干扰

电源噪声或不稳定可能影响晶振的正常工作。特别是在高频晶振中，电源电压的微小波动也可能干扰其正常振荡。

3. 布线和地线设计

PCB布线和接地设计的不好也会影响晶振工作。长引线、地回路不良或者相邻高频信号的干扰都会导致测量问题。

二、测量方法问题

1. 探头负载效应

示波器探头对被测电路引入了一定的电容和电阻，这种负载效应会影响高频信号的测量。

·       电容负载效应：普通示波器探头通常具有10pF左右的输入电容，这对于低频信号影响较小，但在高频条件下会显著影响信号。例如，一个20MHz的晶振，在这种电容负载下可能会大幅衰减甚至无法显示。

·       高阻抗探头：使用高阻抗探头（如FET探头）可以减小负载效应，提高测量精度，但这些探头通常成本较高，且需要额外的功率供应。

2. 示波器带宽限制

示波器自身的带宽也是一个关键因素。如果示波器的带宽低于晶振的频率，则无法准确测量高频信号。例如，使用一台带宽为20MHz的示波器去测量一个40MHz的晶振信号，输出将会严重失真甚至完全看不到波形。

3. 接地问题

测量过程中探头的接地环路可能引入噪声。确保探头接地短且可靠，可以减少噪声干扰。

三、探头特性问题

1. 探头类型

不同类型的探头适用于不同的应用场景。常见的探头类型包括：

·       1X和10X探头：1X探头直接连接，被测电路的负载效应较大；10X探头通过内部电阻分压，能减少电路负载，但可能引入更多的噪声。

·       主动探头：主动探头具有更高的输入阻抗和更低的输入电容，非常适合高频信号的测量，但价格较高。

2. 探头补偿

示波器探头需要正确补偿以确保精确测量。如果探头未正确补偿，会导致测量结果失真。

四、环境干扰

1. 电磁干扰

环境中的电磁干扰可能影响测量结果。特别是在射频和微波频段，周围的无线电发射源、开关电源、手机等设备都会产生干扰信号。

2. 温度变化

晶振的性能受温度影响较大。在极端温度下，晶振可能无法正常工作或者频率漂移，导致测量困难。

五、解决方法

为了尽量避免或减小上述问题对测量的影响，可以采取以下措施：

1.     使用高质量、高频率的示波器和探头：选择带宽和频率响应都足够高的示波器和探头，以确保能够准确捕捉高频信号。

2.     使用高阻抗探头或主动探头：这些探头对被测电路的负载效应较小，有助于提高测量精度。

3.     优化PCB设计：确保晶振附近的布线和接地设计合理，避免长引线和地回路问题。

4.     正确补偿探头：在每次测量前，调整探头补偿，以确保测量精度。

5.     减少环境干扰：在屏蔽良好的环境中进行测量，并远离强干扰源。

6.     保证电源稳定性：使用低噪声电源并添加必要的滤波电容，以提高电源的稳定性。

通过以上措施，可以最大限度地减少示波器在测量晶振波形时遇到的问题，提高测量的准确性和可靠性。

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Answer 2

1. 晶振本身损坏了

2. 可能是因为你用了1X的探头，电容相对较大，相当于一个很重的负载并联在晶振电路中，使其停止振荡了

晶振测量

晶振对电容负载较敏感，当使用×1挡时，探头电容相对较大，相当于一个很重的负载并联在晶振电路中，很容易使其停止振荡，因此我们使用10X档的探头更佳。

我们将示波器通道设置为交流耦合，10X档位。确保晶振主板上电运行后，拔掉探头的套子，露出探针。将探头夹子接到主板地线即供电负极端，探针针尖接触到晶振的其中一个引脚。

调节示波器的垂直档位和时基，使波形至少一个周期完整显示于屏幕中，如下图所示此晶振频率为25MHz

另外，晶振的输出边沿一般比较陡，上升时间较短，因为晶振的输出中包含了较多的高频分量，因此应该将其当作高频信号来看待。探头×1挡的带宽有限制，而探头×10挡是全带宽开启的，因此必须选用×10挡进行测量。

Answer 3

晶振自身很难损坏，不起振一般是用此晶振芯片有严重电源类错误，要不就是晶振本身匹配电路参数不对或硬件虚焊。

Answer 4

1、通常情况下，多个晶振是不能同时工作在一个振荡电路中的，而是通过切换开关（或电子开关）来切换不同频率的晶振，使其分别接入振荡电路中。请检查一下那只没波形的晶振是否切入。
2、若电路板上的晶振是各自独立接入不同的振荡电路单元中，请检查没有波形的振荡电路是否加电工作、振荡电路器件是否有损坏、或晶振是否损坏（晶振受强力后内部碎裂）。

Answer 5

示波器接上后，相当于加上一个导线，可能会引起停振，你可以合理选择触发电平和探头衰减系数，来屏蔽示波器接上后的影响。