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  • 本文主要讲了一下关于单片机晶振电路原理作用
  • 摘 要:石英晶振是一种高精度、高稳定度的振荡器,是利用石英晶体的压电效应而制成的谐振组件,以取代LC 选频电路,频率稳定度高达10 - 9 - 10 - 11 ,广泛应用于各类电子产品的振荡电路中,如通信系统中的频率发生器...
  • 四脚有源晶振电路图 1、外型 2、管脚 3、四脚有源晶振EMC设计标准电路 四脚有源晶振怎么使用 有源晶振一般都有个标志,附近的脚是1#脚。从顶部看是逆时针方向数脚的编号,2#脚接地,3#脚振荡输出,4#脚接...
  • 摘 要: 提出了一种采用晶振和比较器的结构实现实时时钟RTC的32. 768kHz集成晶体振荡电路的方法。设计基于UMC 0. 18um 工艺参数,并使用Hspice 对所设计的电路进行仿真,通过分析其各项性能指标,验证了电路具有起振...
  • 晶振电路是单片机硬件设计中相当重要的一个电路,晶振之于单片机就像心脏之于人类,晶振电路能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,时钟信号频率越高,...

    摘要

    晶振电路是单片机硬件设计中相当重要的一个电路,晶振之于单片机就像心脏之于人类,晶振电路能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须的时钟频率信号,CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的,时钟信号频率越高,通常CPU的运行速度也就越快。

    1.原理简介

    如下图所示的有源晶振,在外部施加适当电压,就可以输出预先设定好的周期性时钟信号
    在这里插入图片描述

    2.工作原理

    石英晶体有一种特性,如果在晶片某轴向上施加压力时,相应施力的方向会产生一定的电位
    在这里插入图片描述

    晶振是石英晶体谐振器(quartzcrystal oscillator)的简称,在电气上它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

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  • 晶振电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器,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。我们常见的晶振有8M晶振,在单片机系统里晶振作用非常...
  • 51 单片机晶振电路原理

    万次阅读 多人点赞 2016-10-04 22:39:04
    原理上来说,这两个引脚MCU内部一个反相器相连接。这个反相器与外部的“晶振”组成一个构成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)。因为这个振荡器集成在器件内部的组件实在是不能更简单啦,就一个反相器一个...

    XTAL1和XTAL2指的是8051系单片机上常见的用于接“晶振”(晶体谐振器-Crystal Resonator”)的两个引脚。从原理上来说,这两个引脚和MCU内部一个反相器相连接。这个反相器与外部的“晶振”组成一个构成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)。因为这个振荡器集成在器件内部的组件实在是不能更简单啦,就一个反相器和一个电阻,非常合适于各种数字IC的设计制造流程。


    深入地分析这个皮尔斯振荡器的工作原理时,不妨把它表述成以下理想的电路形式:


    模电知识告诉我们,当期望得到一个输出信号频率为的振荡电路时,这个电路在必须满足两个条件:2kπ的环路相移
    闭环增益为1


    在上面的皮尔斯振荡器的电路原理图中,不难发现反相器U1对任意的频率分量均提供了180°,即的相移量。同时,反相器在输入输出之间可以看作是一个buffer,因此通过对反相器的输出特性进行调教,较容易得到1的loop gain。


    到这里有人会问了,相移量只有,上面的两个条件连一个都没达到,这哪能起振呢?问题的关键在于电路中的其它元件上。


    首先,对电路中的一颗“晶振”来说,石英晶体本身具有压电效应,对石英晶体进行适当处理后可以得到一种压电谐振器件,这就是常见的石英晶体谐振器(以下简称QCR)。对QCR的物理特性进行分析,可以发现QCR的压电谐振过程可以用以下的理想电路模型近乎完美地表示出来。


    右图的电路模型中,L1-C1-R1组成了一个RLC串联谐振电路,再加上一个实际很小的C0,整个QCR电路模型有两个很接近的谐振点。QCR在电路中与反相器并联,充当的是一个选频网络的作用。整个振荡电路在上电时可以看作是反相器的输出端打进去了一个阶跃信号,QCR把阶跃中谐振点频率的信号挑出来,其他没用的踢掉,在环路增益为1的情况下整个电路趋于稳态平衡。


    模电的知识告诉我们,在QCR // inverter的组合下,这个皮尔斯振荡器已经具备了一个理想的振荡电路中的两大网络(选频+放大)。貌似振荡器中的R1和C1//C2没有什么卵用啊。且慢,这个R1和C1//C2,正是这个电路中最美妙的地方。


    把R1与C1//C2单独抽出来配合反相器的电路组合貌似并不好理解,假如我们换种方式呢?
    (图中引进R’是为了方便理解反相器中的loop voltage gain)


    右边的运放电路除了反相结构本身提供的-180°相移外,R-C组合也提供了额外的相位延迟。更加奇妙的是这个电路组合在设计得当的情况下能够根据实际电路中各元件的误差自动调整相移大小与反相结构相互匹配(当然了谐振频率也会有少许改变),进而保证整个loop的相移满足条件1。这个“自动调整”的过程推导起来很占篇幅,在这里略过不表。


    在上面的图中,还有一个很巧妙的地方,即R1是并联在反相器的输入输出端的。这个小小的电阻和反相器构成了一个反馈通路,进而使得人们能将各种模拟电路的分析设计方法用在这样一个逻辑门电路上,比如通过反馈的方法提高反相器的线性度。在这里将现实电路中反相器的非理想特性引入设计考虑的同时,却又能使电路图保持简洁易懂。


    实际的MCU振荡电路是“Isolated” Pierce-Gate Oscillator,要考虑的因素比这个理论模型复杂得多,但根本原理都是一样的。振荡电路输出的波形,通过下一级的时钟发生电路(Clock Generator)进行整形调整后,得到具有稳定形状的矩形信号并输出至时钟树,作用于整个MCU的同步逻辑。
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  • 晶振电路原理介绍.docx
  • 基于Altinum Designer的12MHz晶振PCB原理图库.
  • 晶振电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器,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。我们常见的晶振有8M晶振,在单片机系统里晶振作用非常...
  • 晶体振荡器在电子设计中可以说是无处不在,并且在扮演着非常重要的角色,晶振电路板的角色好比心脏于人,其重要性不言而喻。但是不要小看这么简单的晶振,如果设计不好,可能会直接影响到产品稳定性。相信很多...
  • OSC产生电路原理

    2020-07-16 17:19:58
    图为锯齿波电路产生图,利用恒流源电路给电容充放电,使得电容NA41上的电压C38上升到比较器的高阈值限制电压S66时,使电容放电;电压C38降到比较器的低阈值限制电压时电容充电,如此反复形成锯齿波。
  • 在单片机中晶振是普遍存在的,那么晶振为什么这么必要,原因就在于单片机能否正常工作的必要条件之一就是时钟电路,所以单片机就很需要晶振。电子学习资料大礼包​mp.weixin.qq.com打个比方来说:晶振好比单片机的...

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    在单片机中晶振是普遍存在的,那么晶振为什么这么必要,原因就在于单片机能否正常工作的必要条件之一就是时钟电路,所以单片机就很需要晶振。
    电子学习资料大礼包​mp.weixin.qq.com

    打个比方来说:晶振好比单片机的心脏,如果没有心脏起跳,单片机无法工作,晶振值越大,单片机运行速度越快,有时并不是速度越快越好,对于电子电路而言,速度够用就是最好,速度越快越容易受干扰,可靠性越差!

    下面小编带你了解整个晶振的原理以及晶振电路的构造。

    晶振,全称是石英晶体振荡器,是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来,可以生成频率和峰值稳定的正弦波。

    而单片机在运行的时候,需要一个脉冲信号,做为自己执行指令的触发信号,可以简单的想象为:单片机收到一个脉冲,就执行一次或多次指令。

    在电气上它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是串联谐振,较高的频率是并联谐振。

    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。

    晶振电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振,再有两个电容分别接入到晶振的两端,另一个电容则接地,这两个电容串联的电容量就等于负载电容。具体电路如下图所示。

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    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。负载电容+等效输入电容=22pF。

    无源晶振 & 有源晶振

    晶振是为电路提供频率基准的元器件,通常分成有源晶振和无源晶振两个大类。

    无源晶振需要芯片内部有振荡器,并且晶振的信号电压根据起振电路而定,允许不同的电压,但无源晶振通常信号质量和精度较差,需要精确匹配外围电路(电感、电容、电阻等),如需更换晶振时要同时更换外围的电路。

    有源晶振不需要芯片的内部振荡器,可以提供高精度的频率基准,信号质量也较无源晶振要好。

    晶振起振原理

    石英晶片所以能做振荡电路(谐振)是基于它的压电效应,从物理学中知道,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体产生机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上产生电场,这种现象称为压电效应。

    如在极板间所加的是交变电压,就会产生机械变形振动,同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说,这种机械振动的振幅是比较小的,其振动频率则是很稳定的。

    但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振,因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。

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    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来共同作用来工作的。

    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为: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,也是各商家竞争的一个重要参数。

    可能有些初学者会对晶振的频率感到奇怪,12M、24M之类的晶振较好理解,选用如11.0592MHZ的晶振给人一种奇怪的感觉,这个问题解释起来比较麻烦,如果初学者在练习串口编程的时候就会对此有所理解,这种晶振主要是可以方便和精确的设计串口或其它异步通讯时的波特率。

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  • 晶振讲述工作原理作用

    万次阅读 多人点赞 2018-01-16 10:47:14
     晶振介绍  晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片),石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳...

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           晶振介绍

      晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片),石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

      1.通用晶体振荡器,用于各种电路中,产生振荡频率。

      2.时钟脉冲用石英晶体谐振器,与其它元件配合产生标准脉冲信号,广泛用于数字电路中。

      3.微处理器用石英晶体谐振器。

      4.CTVVTR用石英晶体谐振器。

      5.钟表用石英晶体振荡器。


      工作原理

      石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号 。石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的 。

      若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

      当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度[1] 。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,计数器从保持寄存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。最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。

      每个单片机系统里都有晶振,全程是叫晶体震荡器,在单片机系统里晶振的作用非常大,他结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的,晶振的提供的时钟频率越高,那单片机的运行速度也就越快。

      晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为压控振荡器(VCO)。


      晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。

      晶振通常与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

      晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路;实际的晶振交流等效电路如图1b,其中Cv是用来调节振荡频率,一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现,这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co,C1,L1,RR是晶体的等效电路。

      分析整个振荡槽路可知,利用Cv来改变频率是有限的:决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。可以看出:C1越小,Co越大,Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上,由于C1很小(1E-15量级),Co不能忽略(1E-12量级,几PF)。所以,Cv变大时,降低槽路频率的作用越来越小,Cv变小时,升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性,压控范围越大,非线性就越厉害;另一方面,分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小,最后导致停振。采用泛音次数越高的晶振,其等效电容C1就越小;因此频率的变化范围也就越小。

      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。

      用万用表测量晶体振荡器是否工作的方法:测量两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半,比如工作电压是51单片机的+5V则是否是2.5V左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚,这个电压有明显变化,证明是起振了的。

      晶振的类型有SMD和DIP型,即贴片和插脚型 。


      晶振的作用--晶振的基本概念

      晶振是电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器,它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。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。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点,被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性,故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。


      2. 晶振的作用--晶振的符号表示

      晶振在结构上分为两只脚的晶振和三只脚的晶振,它们在电路中的表示图形如下图所示。


      3. 晶振的作用—都有哪些呢?

      晶体用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确地单频振荡。通常工作工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百分之五十。高级的精确度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,又称压控振荡器(VCO).


      晶振的作用主要分为以下几种:

      1.为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步,有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。

      2.晶振与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。


      知识延伸—晶振的工作原理

      晶振是晶体振荡器的简称,在电气上它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,如下图所示。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是串联谐振,较高的频率是并联谐振。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。


      知识延伸—晶振的分类

      晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

      无源晶体需要用DSP片内的振荡器,在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP,而且价格通常也较低。

      有源晶振不需要DSP的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单,不需要复杂的配置电路。


      4. 晶振的作用--晶振的应用

      晶振的应用领域十分广泛,晶振的四大应用领域。

      一、移动手持设备:最常见的移动手持设备是智能手机,除此之外,典型的还包括Ipad、手持游戏机、手持POS机等。

      二、消费电子:通常包括手提电脑、照相机、摄像机、耳机、音响、平板电脑等。

      三、通信网络:在通信网络通常分有线通信和无线通信。有线通信涵盖的技术领域包括:光传输网络、数据处理、连接功能等。无线网络涵盖的技术领域通常包括基带、连接接口、无线电等。

      四、医疗电子:常见的医疗电子设备包括:X射线成像、磁共振成像、超声波系统、内窥镜等。


      基本分类

      石英晶体振荡器分 非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。其中,无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种,在日本工业标准(JIS)中 ,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。


      石英晶体器件

      石英晶体振荡器 是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应 制成的一种谐振器件,它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以 是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层 作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体的压电效应:若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。注意,这种效应是可逆的。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

      石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和 数字化/μp补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。 其中,无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种,在日本工业标准(JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。现以SPXO为 例,简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。

      石英晶体,有天然的也有人造的,是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器,它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件,晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、(金属壳)封装及其等效电路。只要在晶体振子板极上施加交变电压,就会使晶片产生机械变形振动,此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时,就会发生压电谐振,从而导致机械变形的振幅突然增大。

      石英晶体振荡器的应用:1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路,其频率精度决定了电子钟表的走时精度。石英晶体振荡器原理的示意如图3所示,其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统,这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般Q、C1及C2均为外接元件。另外R1为反馈电阻,R2为振荡的稳定电阻,它们都集成在电路内部。故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。但此时仍可用加接一只电容C有方法,来改变振荡系统参数,以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢,调整电容有两种接法:若走时偏快,则可在石英晶体两端并接电容C,如图4所示。此时系统总电容加大,振荡频率变低,走时减慢。若走时偏慢,则可在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小,振荡频率变高,走时增快。只要经过耐心的反复试验,就可以调整走时精度。因此,晶振可用于时钟信号发生器。2、随着电视技术的发展,近 来 彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源,经1/3的分频得到15625Hz的行频,其稳定性和可靠性大为提高。而且晶振价格便宜,更换容易。


      3、在通信系统产品中,石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现,同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。


      温度补偿晶体器件

      温度补偿晶体振荡器(TCXO)是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。TCXO中,对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型:⑴直接补偿型 直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路,在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时,热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化,从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单,成本较低,节省印制电路板(PCB)尺寸和空间,适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时,直接补偿方式并不适宜。

      ⑵间接补偿型 间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度-电压变换电路,并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上,通过晶体振子串联电容量的变化,对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度,但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数(A/D)变换器,将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿,使晶体振荡器频率稳定度非常高,但具体的补偿电路比较复杂,成本也较高,只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。


      TCXO发展现状

      TCXO在近十几年中得到长足发展,其中在精密TCXO的研究开发与生产方面,日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上,目 前的主流产品降至0.4 ,超小型化的TCXO器件体积仅为0.27。在30年中,TCXO的体积缩小为1/50乃至1/100。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm,在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。金石(KSS)集团生产的TCXO频率范围为2~80MHz,温度从-10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm;数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2~90MHz,频率稳定度为±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本东泽通信机生产的TCO-935/937型片式直接温补型TCXO,频率温度特性(点频15.36MHz)为±1ppm/-20~+70℃,在5V±5%的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm,输出正弦波波形(幅值为1VPP),电流损耗不足2mA,体积1 ,重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装,正弦波或逻辑输出,在-55℃~85℃范围内能达到±0.25~±1ppm的精度。

      国内的产品水平也较高,如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室温下精度优于±1ppm,第一年的频率老化率为±1ppm,频率(机械)微调≥±3ppm,电源功耗≤120mw。目 前高稳定度的TCXO器件,精度可达±0.05ppm。高精度、低功耗和小型化,仍然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面,面临不少困难,其中主要的有两点:一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小,温度补偿更加困难;二是片式封装后在其回流焊接作业中,由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度,会使晶体振子的频率发生变化,若不采限局部散热降温措施,难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10-6以下。但是,TCXO的技术水平的提高并没进入到极限,创新的内容和潜力仍较大。


      TCXO的应用

      石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用,由于TCXO具有较高的频率稳定度,而且体积小,在小电流下能够快速启动,其应用领域重点扩展到移动通信系统。TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准,同时作为接收通道的第一级本机振荡器;另一只TCXO作为第2级本机振荡器,将其振荡信号输入到第2变频器。目 前 移动电话要求的频率稳定度为0.1~2.5ppm(-30~+75℃),但出于成本上的考虑,通常选用的规格为1.5~2.5ppm。移动电话用12~20MHz的TCXO代表性产品之一是VC-TCXO-201C1,采用直接补偿方式,,由日本金石(KSS)公司生产。

      应用:测试设备频率范围:1MHz-160MHz

      常用频点:45 5.12 6 6.4 8.192 9.216 10 10.24 12 12.8 13 14.4 15.36 16.38 16.384 19.44 19.68 19.8 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 52 50 77.76 80 100 155.52


      电压控制晶体器件

      电压控制晶体振荡器(VCXO),是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的VCXO中,通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。VCXO允许频率控制范围比较宽,实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大。如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高,可采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。与单一的振荡器相比,这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。

      在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工·爱普生公司生产的VG-2320SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件,内装单独开发的专用IC,器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm,体积为0.19。其标准频率为12~20MHz,电源电压为3.0±0.3V,工作电流不大于2mA,在-20~+75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm,频率可变范围是±20~±35ppm,启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO,频率覆盖范围为10~360MHz,频率牵引度从±60ppm到±100ppm。VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展,并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。

      日本东洋通信机生产的TCO-947系列片式VCXO,早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz,频率温度特性±2.5ppm/-30~+75℃,频率电压特性±0.3ppm/5V±5%,老化特性±1ppm/年,内部采用SMD/SMC,并采用激光束和汽相点焊方式封装,高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统(PHS)等移动通信用VCXO,共有两大类六个系列,为适应SMT要求,全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1-KH/LH等VCXO,均是表面贴装器件,电源电压为3.3V或5V,可覆盖的频率范围或最高频率分别为32~120MHz、155MHz、2~40MHz和1-50MHz,牵引度从±25ppm到±150ppm不等。MF电子公司生产的T-VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm,曾被业内认为是外形尺寸最小的产品,但这个小型化的记录很快被打破。新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm,并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX-8000系。应用:移频直放站、测试设备、蜂窝基站

      频率范围:  1MHz-200MHz

      常用频点:12.8 13 15.36 16.38 16.384 18.432 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 44.545 51.2 58.078 65 70 73.6100 107.374 120 131.04 135.56

     

      恒温控制晶体器件

      恒温控制晶体振荡器(OCXO)是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定,将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器,其内部结构如图4所示。在OCXO中,有的只将石英晶体振子置于恒温槽中,有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中,还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中,而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿,实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上,使振荡器频率稳定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。

      OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器,来实现温度控制的。具有自动增益控制(AGC)的(C1app)振荡电路,是 目 前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。OCXO的技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割(SCCut)石英晶体振子制作的OCXO,与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较,具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率(C/N),是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处,以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz,而用SC切割晶体制成的同样OCXO,则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。

      金石集团生产的OCXO,频率范围为5~120MHz,在-10~+60℃的温度范围内,频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm,老化指标为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.096~45MHz双恒温箱控制OCXO,温度稳定度仅为0.002ppm(2×10-10)/0~75℃;4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm,老化率为±0.03ppm/年。如果体积缩小一点,在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的10~25MHz表面贴装OCXO,频率稳定度为±0.05ppm/0~70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统(GPS)的OCXO采用SC切形石英晶体振子,在0~75℃范围内总频偏小于±0.005ppm,最大老化率为±0.005ppm/年。Vectron国际公司的CO-760型OCXO,尺寸为25.4mm见方,高12.7mm,在OCXO产品中,体积算是较小的。随着移动通信产品的迅猛增长,对OCXO的市场需求量会逐年增加。OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求,但在尺寸上的缩小余地非常有限。

      应用:GPS时钟、移频直放站、基站、接入网、测试设备特点:低相位噪声、高稳定度

      频率范围:  1MHz-160 MHz

      常用频点:4.09655.126.48.1929.83041010.2310.241212.81315.3615.616.3816.38419.442030.72 32.76836.86438.884040.54551.258.0786573.677.374120131.04160

      

      选用

      晶体振荡器被广泛应用到军、民用通信电台,微波通信设备,程控电话交换机,无线电综合测试仪,BP机、移动电话发射台,高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。它有多种封装,特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型:电压控制晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温晶体振荡器(OCXO),以及数字补偿晶体振荡器(MCXO或DTCXO),每种类型都有自己的独特性能。如果需要使设备即开即用,您就必须选用VCXO或温补晶振,如果要求稳定度在0.5ppm以上,则需选择数字温补晶振(MCXO)。模拟温补晶振适用于稳定度要求在5ppm~0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。在不需要即开即用的环境下,如果需要信号稳定度超过0.1ppm的,可选用OCXO。


      频率稳定性

      晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性,它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。工业级标准规定的-40~+75℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯,倘若-30~+70℃已经够用,那么就不必去追求更宽的温度范围。设计工程师要慎密决定特定应用的实际需要,然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同,有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化,也就是说在产品使用的第一年,这种现象才最为显著。例如,使用10年以上的晶体,其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况,也可以采用调节的办法解决,比如,可以在控制引脚上施加电压(即增加电压控制功能)等。

      与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动,这些指标应该规定出来。对于工业产品,有时还需要提出振动、冲击方面的指标,军用品和宇航设备的要求往往更多,比如压力变化时的容差、受辐射时的容差,等等。


      输出

      必须考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式,对于工业产品,有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶体振荡器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至55%)和快速的上升和下降时间(小于5ns)。相位噪声和抖动:在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中心频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。抖动与相位噪声相关,但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用,例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必须满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。

      电源和负载的影响:振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF的振荡器在驱动50pF时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现较差的波形和稳定性。对于需要电池供电的器件,一定要考虑功耗。引入3.3V的产品必然要开发在3.3V下工作的振荡器。较低的电压允许产品在低功率下运行。大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V下工作。许多采用传统5V器件的穿孔式振荡器正在重新设计,以便3.3V下工作。


      封装

      与其它电子元件相似,时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。根据客户的需要制作各种类型、不同尺寸的晶体振荡器(具体资料请参看产品手册)。通常,较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以,小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。


      工作环境

      晶体振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如,高强度的振动或冲击会给振荡器带来问题。除了可能产生物理损坏,振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。对于要求特殊EMI兼容的应用,EMI是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的PC母板布局技术,重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说,具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI特性。


      检测

      对于晶振的检测,通常仅能用示波器(需要通过电路板给予加电)或频率计实现。万用表或其它测试仪等是无法测量的。如果没有条件或没有办法判断其好坏时,那只能采用代换法了,这也是行之有效的。晶振常见的故障有:(a)内部漏电;(b)内部开路;(c)变质频偏;(d)与其相连的外围电容漏电。从这些故障看,使用万用表的高阻档和测试仪的Ⅵ曲线功能应能检查出(C),(D)项的故障,但这将取决于它的损坏程度。


      总结:器件选型时一般都要留出一些余量,以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率,带来潜在的效益,这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理,这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素,这里的成本不仅仅包含器件的价格,而且包含产品全寿命的使用成本。


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晶振电路的原理和作用