由系统级芯片外置实时时钟晶体信号测量引发的思考

本文是由探头引起的思考，这个故事很典型，很有趣。 探头种类繁多，到底测量什么样的信号要用什么的探头，作者没有直接回答这个问题，但在他讲述的故事中谈到了探头的几个关键参数及其对测量的影响。

任何事情知其所以然，然后豁然开朗。作者探究问题本质的精神令人肃然起敬。

1 引言

实时时钟，通常由内置的RC振荡器或者外置的实时时钟晶体(RTC)来实现，目前已经被广泛地应用在当前的电子产品中。

关于实时时钟晶体信号测量的话题，绝大多数电子工程师也许并不陌生，但是有多少人“认真”地测量过这个不起眼的信号呢？当然“认真”的含义不包含随便找个示波器用探头点一下，看到屏幕上有个类似正弦波的东西，再量下频率是32KHz左右就算结束了。

如果大家对这个话题有些兴趣，那就听我讲讲在工作中实际发生的故事。它起源于在某款设计上发现的一个问题，经初步排查怀疑跟实时时钟有关系。因此，我们在分析调试过程中实时监测外部晶体信号输出管脚的状态，正所谓不测不知道一测吓一跳，发现测试这样一个信号居然遇到很多令人纠结的问题。

在这里要先行感谢罗德与施瓦茨公司的ScopeArt先生为测量提供的示波器支持，谨以此文作为回报！

2 问题定位过程

2.1  电路介绍

为介绍方便，首先介绍一下实时时钟晶体的示意图和规格表。图1是常见的的实时时钟晶体示意图。

图1 实时时钟晶体示意图

常见32.768KHz晶体的规格见表1：

表1  32.768KHz晶体的规格规格表

2.2  测量过程

开始准备测量，手头可用的探头信息如表2所示。

表2 探头信息

使用探头1测量图1所示的“输入管脚”，发现在示波器的屏幕中没有显示时钟波形，只显示了直流偏置。初步怀疑是探头的输入电容过大引起的，于是找来探头2（输入电容只有零点几皮法），但是测量结果并没有改变，还是看不到信号。这下稍感意外，于是仔细观察了整个测量过程，发现当探头刚接上晶体管脚时，在示波器屏幕上实际是有时钟信号的，然后信号波形慢慢衰减，直至消失（如图2所示）。该现象说明晶体在探头接上管脚后，慢慢地停振。[page]

图2 晶振停振波形

 

发现此现象后，回过头静下心来仔细查阅探头规格书，发现忽略了探头的等效输入阻抗。更新探头信息如表3所示，由表3可得：探头2的等效输入阻抗只有50千欧姆，基本跟晶体本身的等效阻抗差不多了，电路不工作的原因也就找到了。接下来的任务就是找一种阻抗高容值低的探头，经过查阅几家主流厂商的探头规格，探头3进入视线，但由于资源有限，没有设备可用，真是“巧妇难为无米之炊”啊！

 

表3 更新后的探头信息

所谓“无巧不成书”，恰好第二天罗德与施瓦茨公司的示波器业务经理来我们单位进行示波器交流，于是在会后咨询是否可以借用探头3做测量。罗德与施瓦茨的同仁欣然同意，并很快给予安排。在约定时间，直接“杀”到罗德与施瓦茨的位于人民广场中区大厦的上海总部进行测量。

谁知再起波澜，探头3也会影响该电路的正常工作，且与之前看到的问题现象相似。那么问题出在哪里呢？难道还是探头的输入阻抗太小了？带着疑问，经多方努力终于了解到晶体放大电路输入脚的对地等效阻抗大概为几兆欧姆，使用1兆欧姆的探头自然会发生问题。

至此问题有了方向，遂找来表4所示的探头4进行测量，果然可以测量到信号波形。重新回顾了测试过程，发现探头4也很常见，不巧的是最开始手边的是探头1可用，也只能感慨运气不佳，但转念一想这何尝不是一个深入钻研的学习过程呢！于是心中充满了正能量！

表4

3 进一步研究

由表4可以看出，探头4的等效电容还是较大，有可能会影响晶体电路的正常工作，因此导致误测的风险还是一直存在。再次研究了各厂家的探头规格，还是决定请罗德与施瓦茨的同仁帮忙找探5。漫长的等待后，探头终于来到身边。但看到实物的一瞬间，我的心凉了半截。探头5主要针对高压进行测量的，其正负极的探针通过大约40厘米左右的线缆引出来，基本可以判断出这种探头是无法测量小信号的。

但既然拿到了探头5，出于学习的态度还是尝试把它用起来。这时发现配套的电源适配器不在包装里，刚开始就要收学费啦？！此处略去一万字，最终费了九牛二虎之力总算搭好了，不出所料信号在示波器的显示屏中无法稳定，到此这条路只好放弃。

感谢大家能耐下心来看到这里，但故事并没有结束，最精彩的还在后面。虽然寻找合适的探头的努力失败了，但还可以曲线救国嘛。

下面列举两个方法。

第一，用探头4的等效输入电容代替板子上面的“补偿电容”（图1），前提是探头的等效输入电容跟板上的“补偿电容”（图1）容值相差不大。

第二，用一个9兆欧姆的电阻一端焊接在被测点，另一端悬空，使用探头3探测电阻的悬空端。这个办法会导致被测信号缩小到实际的1/100，也就是探头由10:1变成了100：1，这时罗德与施瓦茨示波器最小量程为1mV（全带宽）的优势就可以得以体现了，这使得测量几百毫伏的信号成为了可能。

4 结束

到这里故事就讲完了，希望能对大家有帮助。也希望大家能分享工作中的一些有趣的故事。

笔者注：由于不同系统级芯片系统设计存在差异，而本文提到的方法也只是意于抛砖引玉，提供一些思路供大家参考。因此没有涉及到相关被测电路的细节，还请读者根据自己产品中的实际情况予以考量。