用频谱仪测量晶体频率的方法

摘要：用频谱仪测量晶体的时钟频率，查看时钟的频偏。

关键字：频谱仪晶体频率频偏

一、背景与现象

怎样精确的测量晶体的时钟频率？是每一个硬件工程师所面临测量问题。用频率计测试晶体频率，又担心探头本身的寄生电容会影响晶体本身的负载电容，造成测试的晶体频率发生偏移，测量结果与实际的晶体震荡频率存在一定的偏差。所以不得不对测试探头有严格要求，要求带宽越宽越好，寄生电容越小越好。

而用频谱仪测量，因为是测量的晶体的外壳，所以不会对晶体的负载电容有任何影响，所以测的的频率相对精度较高。

二、测试分析

测试用具：频谱仪一台，示波器探头(一般选取100MHz以上的示波器探头)

测试方法：

1、首先确保晶体的外壳没有接地；

2、所测晶体正常工作后，用示波器探头测量晶体的外壳，并就近取地；

3、用频谱仪MARKER功能读取测量的频率。

该方法主要是利用晶体产生的信号一般是一个正弦曲线，正弦函数的频谱是一根谱线，在频谱仪上显示为一个单载波的形式，可以用MARKER功能读取出来。

测量步骤：

1、首先打开电源，使晶体和频谱仪正常工作一段时间后，再进行下一步测量；

2、在频谱仪面板上设置频率参数：Frequency→中心频率，设置中频频率为所要测试的晶体频率。

3、设置SPAN频率宽度：SPAN→扫宽。首先设置频率扫宽为1MHz。

4、设置信号衰减幅度，由于测量的是晶体的外壳，信号比较弱。需设置频谱仪的衰减量：Amplitude→衰减。设置衰减小于5dB，一般设置为0dB。同时调整参考电平，使测量曲线显示在频谱仪的屏幕上。（有的频谱仪参考电平是自动调整的，可以不用调整）

5、测试晶体的外壳，并用MARKER点的PeakSearch功能，找到最大点。

6、重新设置SPAN频率宽度，为100KHz，重新进行第5步操作。

7、设置分辨率带宽：BW/Avg→分辨率带宽。一般设置为10Hz。再此步骤内，要重新调整参考电平，参考4步骤。

8、按照当前的MARKER点的读值重新设定中心频率，按照第2步操作。

9、重新设置SPAN频率宽度，为1KHz。然后进行第5步操作，并读取测量的结果，并做记录。

测量精度：

正确频谱仪的使用条件是：环境温度处于25度的室温环境，预热30分钟放进行测试。

以频谱仪N9320B的规格为例说明。

频谱仪的频率读出精度为：

±（频率指示×频率参考不确定度+1%×扫频宽度+20%×分辨率带宽+光标分辨率）

其中，

频率指示，为MARKER点的指示的频率读数；

频率参考不确定度，为老化率×从调整至此时的时间+电压稳定度+温度稳定度；

扫频宽度，为频谱仪的显示频率宽度，也就是频谱仪的SPAN宽度；

分辨率带宽，为频谱仪的中频滤波器的带宽，也就是频谱仪上的RBW参数；

光标分辨率，扫频宽度/(扫描点数-1)，一般光标分辨率等于频率读数位数的一半。

频率参考不确定度，是指频谱仪内部的参考时钟的稳定度。一般是一个内部的10MHz的参考时钟。

N9320B的内部10MHz频率参考精度：

老化率：±1ppm/year

温度稳定度：±1ppm

电压稳定度：±0.3ppm

N9320B频谱仪采购了3年，老化度设定为3ppm（一般按校验时间计算）。

所以用N9320B进行测量时钟频率，精度可以估算为：

假设设定RBW=10Hz，频率读数为16MHz，SPAN宽度为1KHz，

±（频率指示×频率参考不确定度+1%×扫频宽度+20%×分辨率带宽+光标分辨率）

=±（16MHz×4.3ppm+1%×1KHz+20%×10Hz+4Hz）

=±（68.8Hz+10Hz+2Hz+4Hz）

=±85Hz

也就是相当于有5~6ppm的误差。

测量验证：

下面的数据为频率计和频谱仪测试结果的对比。

频率	4MHz	16MHz
频率计	4.399937	16.002604
频谱仪	4.000002	16.002711

可以看出用频谱仪测试的结果对比有最大100Hz的差值。

但是不用的晶体相差不一样，这是因为不通的晶体的负载电容也不同，造成测试结果不同。

而用芯片本身的芯片输出引脚进行测试对比如下：

频率	4MHz	16MHz
频率计	4.399983	16.002710
频谱仪	4.000002	16.002713

由此看出它们的相差不是很大。因为用芯片本身时钟输出引脚进行测试不会对晶体本身的负载电容有影响，也就不会对晶体的震荡频率产生影响，测试的结果相对比较精确。测量结果的差异是不同的测试方法和测试仪器之间的测试误差。

三、问题的解决

1、用频谱仪可以精确的测量晶体的工作频率。

2、但是对选择的频谱仪有要求，要求频谱仪的相位噪声不能太大，并且频谱仪的分辨率带宽(RBW)最小为10Hz，否则测试的结果偏差较大。

3、另外可以解决，由于晶体的振幅峰峰值较小的情况下，频率计测不出频率的情况。

四、经验与教训

用频谱仪测试晶体频率可以作为硬件工程的一个基本测试方法。

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