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晶振基础知识
发布时间:2021-04-27   点击次数:608次

基本概述

    晶体全称为晶体振荡器,其作用在于产生原始的时钟频率,这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例,要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样,频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话,声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本,通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz,但是SRC会对音质带来损害,而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。

    晶振一般叫做晶体谐振器,是一种机电器件,是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性,如果给他通电,他就会产生机械振荡,反之,如果给他机械力,他又会产生电,这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点,其振荡频率与他们的形状,材料,切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定,热膨胀系数非常小,其振荡频率也非常稳定,由于控制几何尺寸可以做到很精密,因此,其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应,我们可以把它等效为一个电磁振荡回路,即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换,由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小,即Q 值非常高,做振荡器用时,可以产生非常稳定的振荡,作滤波器用,可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。

 

主要参数

参数基本描述
频率准确度在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(252℃)以及其他条件保持不变,晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差,即(fmax-fmin)/f0;
温度稳定度其他条件保持不变,在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
频率调节范围通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。
调频(压控)特性

包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。

①调频频偏:压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。
②调频灵敏度:压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。
③调频线性度:是一种与理想直线(最小二乘法)相比较的调制系统传输特性的量度。

负载特性其他条件保持不变,负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。
电压特性其他条件保持不变,电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。
杂波输出信号中与主频无谐波(副谐波除外)关系的离散频谱分量与主频的功率比,用dBc表示。
谐波谐波分量功率Pi与载波功率P0之比,用dBc表示。
频率老化在规定的环境条件下,由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振,由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移,往往用老化率(单位时间内的相对频率变化)来量度。
日波动指振荡器经过规定的预热时间后,每隔一小时测量一次,连续测量24小时,将测试数据按S=(fmax-fmin)/f0式计算,得到日波动。
开机特性在规定的预热时间内,振荡器频率值的最大变化,用V=(fmax-fmin)/f0表示。
相位噪声

短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比£(f)表示,£(f)与噪声起伏的频谱密度Sφ(f)和频率起伏的频谱密度Sy(f)直接相关,由下式表示:

f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)
f—傅立叶频率或偏离载波频率;f0—载波频率。

 

 

基本分类

    晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来,所以“无源晶振”这个说法并不准确;有源晶振是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振,而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中,谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数:谐振电阻(RR),谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能,因此这是各商家竞争的一个重要参数。

 

工作原理

    计算机都有个计时电路,尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备,但它们实际上并不是通常意义的时钟,把它们称为计时器(timer)可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体,石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡,这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联,一个计数器(counter)和一个保持寄存器(holdingregister)。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时,产生一个中断,计数器从保持计数器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程,令其每秒产生60次中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒(clocktick)。

    晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振,较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p,如果再考虑元件引脚的等效输入电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

 

功能作用

    晶振在应用具体起到的作用,微控制器的时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的时钟源,如晶振、陶瓷谐振槽路;RC(电阻、电容)振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置,适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动,成本也比较低,但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差,会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时,陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感,但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有:电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化,增加不稳定性,并且在有些情况下,还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出,并且能够在一定条件下保证运行。醉常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器(硅振荡器)。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高,多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。

    选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比,可以表示为功率耗散电容值。比如,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时,相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容,整个电源电流为2.2mA。陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容,相应地也需要更多的电流。相比之下,晶振模块一般需要电源电流为10mA ~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能,范围可以从低频(固定)器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器,如MAX7375,工作在4MHz时只需不到2mA的电流。 在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:精度、成本、功耗以及环境需求。

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