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晶振的工作原理

作者:小扬
日期:2017年08月08日 00:00
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一、什么是晶振?

       晶振是石英振荡器的简称,英文名为Crystal,它是时钟电路中最重要的部件,它的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率,它就像个标尺,工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定,自然容易出现问题(关于什么是晶振详情可以查看YXC扬兴官网《晶振的定义是什么》)。

 

晶振还有个作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。

 

       晶振的工作原理是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)。晶振在数字电路的基本作用是提供一个时序控制的标准时刻。数字电路的工作是根据电路设计,在某个时刻专门完成特定的任务,如果没有一个时序控制的标准时刻,整个数字电路就会成为“聋子”,不知道什么时刻该做什么事情了。

 

       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。

 

       电路中,为了得到交流信号,可以用RC、LC谐振电路取得,但这些电路的振荡频率并不稳定。在要求得到高稳定频率的电路中,必须使用石英晶体振荡电路。石英晶体具有高品质因数,振荡电路采用了恒温、稳压等方式以后,振荡频率稳定度可以达到10^(-9)至10^(-11)。广泛应用在通讯、时钟、手表、计算机……需要高稳定信号的场合。

 

石英晶振不分正负极, 外壳是地线,其两条不分正负
 

 石英晶振组成
 

二、晶振的使用

 

       晶振,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。

 

       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。

 

       每种芯片的手册上都会提供外部晶振输入的标准电路,会表明芯片的最高可使用频率等参数,在设计电路时要掌握。与计算机用CPU不同,单片机现在所能接收的晶振频率相对较低,但对于一般控制电路来说足够了。

 

       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。

 

谐振振荡器包括石英(或其晶体材料)晶体谐振器,陶瓷谐振器,LC谐振器等。

 

晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。

 

       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。

 

       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。
 

YXC HC-49SMD

 

三、概述

 

       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;基于相移电路的时钟源,如:RC (电阻、电容)振荡器。硅振荡器通常是完全集成的RC振荡器,为了提高稳定性,包含有时钟源、匹配电阻和电容、温度补偿等。

 

机械式谐振器与RC振荡器的主要区别

 

       基于晶振与陶瓷谐振槽路(机械式)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。相对而言,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。图1所示的电路能产生可靠的时钟信号,但其性能受环境条件和电路元件选择以及振荡器电路布局的影响。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。

 

振荡器模块

 

       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。

 

功耗

 

       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至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。

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