時(shí)鐘振蕩器的原理與作用詳解

　　振蕩器就像電子系統(tǒng)中的電源一樣無處不在，有人認(rèn)為它們的重要性等同于電源，在任何需要時(shí)序信號(hào)的東西中都能發(fā)現(xiàn)它們的應(yīng)用，從數(shù)字手表到電視和PC。

　　振蕩器就是可以產(chǎn)生一定頻率的交變電流信號(hào)的電路。是一種能量轉(zhuǎn)換裝置——將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。

　　振蕩器簡單地說就是一個(gè)頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細(xì)說就是一個(gè)不需要外信號(hào)激勵(lì)、自身就可以將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負(fù)阻型兩種。所謂“振蕩”，其涵義就暗指交流，振蕩器包含了一個(gè)從不振蕩到振蕩的過程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)化，這樣的裝置就可以稱為“振蕩器”。

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用-時(shí)鐘振蕩器的基本概念

　　時(shí)鐘振蕩器是利用了晶體的壓電效應(yīng)制造的，當(dāng)在晶片的兩面上加交變電壓時(shí)，晶片會(huì)反復(fù)的機(jī)械變形而產(chǎn)生振動(dòng)，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)反過來產(chǎn)生交變電壓。

　　晶體振蕩器，以下簡稱晶振，是利用了晶體的壓電效應(yīng)制造的，當(dāng)在晶片的兩面上加交變電壓時(shí)，晶片會(huì)反復(fù)的機(jī)械變形而產(chǎn)生振動(dòng)，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)反過來產(chǎn)生交變電壓。當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其它頻率下的振幅大得多，產(chǎn)生共振，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。晶振產(chǎn)生振蕩必須附加外部時(shí)鐘電路，一般是一個(gè)放大反饋電路，只有一片晶振是不能實(shí)現(xiàn)震蕩的。

　　于是就有了時(shí)鐘振蕩器，將外部時(shí)鐘電路跟晶振放在同一個(gè)封裝里面，一般都有4個(gè)引腳了，兩條電源線為里面的時(shí)鐘電路提供電源，又叫做有源晶振，時(shí)鐘振蕩器，或簡稱鐘振。好多鐘振一般還要做一些溫度補(bǔ)償電路在里面，讓振蕩頻率能更加準(zhǔn)確。晶振振蕩器的等效電路也可以認(rèn)為是一個(gè)LCR振蕩電路。

時(shí)鐘振蕩器的原理與作用-時(shí)鐘振蕩器的作用是什么？

　　時(shí)鐘振蕩電路中精確地確定振蕩頻率，它與所屬電路系統(tǒng)中的主芯片內(nèi)部的振蕩電路配合，共同組成“石英晶體諧振器”（簡稱“晶振”），產(chǎn)生主板上各個(gè)系統(tǒng)所必需的時(shí)鐘信號(hào)。工作時(shí)，首先由主芯片內(nèi)部的“多諧振蕩器”產(chǎn)生一個(gè)頻譜很寬的振蕩，這個(gè)包含有多種“諧頻”的振蕩信號(hào)從主芯片輸出后，直接加到晶體的兩端，通過晶體的“精確選頻”作用，確定一個(gè)所需要的時(shí)鐘頻率之后，再反饋回芯片內(nèi)部去控制“多諧振蕩器”的振蕩頻率。這樣，整個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器就在晶體選定的頻率上工作，產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定、幅度恒定的時(shí)鐘脈沖，提供給主芯片內(nèi)部的各個(gè)系統(tǒng)，使這些結(jié)構(gòu)不同、功能各異的電路在“時(shí)鐘”的控制下，按照統(tǒng)一的“節(jié)奏”、數(shù)據(jù)傳輸速率（ bit/s）以及規(guī)定的“時(shí)序”（時(shí)間順序）相互配合、互相協(xié)調(diào)地工作，從而完成這個(gè)單元電路系統(tǒng)中的主芯片所擔(dān)負(fù)的功能。

　　簡單的說時(shí)鐘電路就是一個(gè)振蕩器，給單片機(jī)提供一個(gè)節(jié)拍，單片機(jī)執(zhí)行各種操作必須在這個(gè)節(jié)拍的控制下才能進(jìn)行。因此單片機(jī)沒有時(shí)鐘電路是不會(huì)正常工作的。時(shí)鐘電路本身是不會(huì)控制什么東西，而是你通過程序讓單片機(jī)根據(jù)時(shí)鐘來做相應(yīng)的工作。

　　幾乎所有的數(shù)字系統(tǒng)在處理信號(hào)都是按節(jié)拍一步一步地進(jìn)行的，系統(tǒng)各部分也是按節(jié)拍做的，要使電路的各部分統(tǒng)一節(jié)拍就需要一個(gè)“時(shí)鐘信號(hào)”，產(chǎn)生這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的電路就是時(shí)鐘電路。

　　時(shí)鐘電路的核心是個(gè)比較穩(wěn)定的振蕩器（一般都用晶體振蕩器），振蕩器產(chǎn)生的是正弦波，頻率不一定是電路工作的時(shí)鐘頻率，所以要把這正弦波進(jìn)行分頻，處理，形成時(shí)鐘脈沖，然后分配到需要的地方。讓系統(tǒng)里各部分工作時(shí)使用。

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用-時(shí)鐘振蕩器的原理

　　主要有由電容器和電感器組成的LC回路，通過電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)換產(chǎn)程自由振蕩。要維持振蕩還要有具有正反饋的放大電路，LC振蕩器又分為變壓器耦合式和三點(diǎn)式振蕩器，很多應(yīng)用石英晶體的石英晶體振蕩器，還有用集成運(yùn)放組成的LC振蕩器。

　　由于器件不可能參數(shù)完全一致，因此在上電的瞬間兩個(gè)三極管的狀態(tài)就發(fā)生了變化，這個(gè)變化由于正反饋的作用越來越強(qiáng)烈，導(dǎo)致到達(dá)一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)期間另一個(gè)三極管經(jīng)電容逐步充電后導(dǎo)通或者截止，狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，到達(dá)另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。這樣周而復(fù)始形成振蕩。

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用--51單片機(jī)與時(shí)鐘電路

　　在MCS－51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。根據(jù)硬件電路的不同，單片機(jī)的時(shí)鐘連接方式可分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，如圖1所示。

　　在內(nèi)部方式時(shí)鐘電路中，必須在XTAL1和XTAL2引腳兩端跨接石英晶體振蕩器和兩個(gè)微調(diào)電容構(gòu)成振蕩電路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的頻率取值在1.2MHz～12MHz之間。對于外接時(shí)鐘電路，要求XTAL1接地，XTAL2腳接外部時(shí)鐘，對于外部時(shí)鐘信號(hào)并無特殊要求，只要保證一定的脈沖寬度，時(shí)鐘頻率低于12MHz即可。

　　晶體振蕩器的振蕩信號(hào)從XTAL2端送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，它將該振蕩信號(hào)二分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘信號(hào)P1和P2供單片機(jī)使用。時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為狀態(tài)時(shí)間S，它是振蕩周期的2倍，P1信號(hào)在每個(gè)狀態(tài)的前半周期有效，在每個(gè)狀態(tài)的后半周期P2信號(hào)有效。CPU就是以兩相時(shí)鐘P1和P2為基本節(jié)拍協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分有效工作的。

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用-典型應(yīng)用電路圖

　　在數(shù)字電路中常常需要用精確的秒脈沖信號(hào)來對檢測的信號(hào)進(jìn)行采樣取值。實(shí)際中多采用高頻振蕩器產(chǎn)生高頻信號(hào)，然后經(jīng)多級(jí)分頻電路得到。這里介紹一種利用高頻石英鐘集成電路SM5511產(chǎn)生精確的秒脈沖的電路。

　　工作原理：電路如圖所示。IC1通電后，在其3腳與5腳分別產(chǎn)生正的與負(fù)的窄幅脈沖信號(hào)。兩路脈沖信號(hào)經(jīng)高速運(yùn)算放大器IC2比較放大后合并成周期為1秒的窄幅脈沖信號(hào)，經(jīng)IC3 D型觸發(fā)器后變成周期為2秒，占空比為1的秒脈沖信號(hào)。

　　調(diào)節(jié)微調(diào)電容C1可以改變石英諧振器SJT的振蕩頻率。配合高精度的高頻計(jì)數(shù)器調(diào)節(jié)電容C1便可以得到精確的秒脈沖信號(hào)。

　　精確的秒脈沖信號(hào)產(chǎn)生器電路圖

　　精確的基準(zhǔn)時(shí)鐘振蕩電路：沖信號(hào)產(chǎn)生器

　　如圖所示，由555和R1、R2、C1組成可控的多諧振蕩器，它的振蕩頻率除與RC時(shí)間常數(shù)有關(guān)外，還可由控制端的直流電平來調(diào)節(jié)。而該直流電平由基準(zhǔn)頻率f。和555輸出的振蕩波頻率fo=Nfn共同鎖定的RS觸發(fā)器輸出的方波，經(jīng)低通濾波后產(chǎn)生。CD4001的兩個(gè)或非門電路組成RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器在鎖定情況下，輸出的占空比不變，因而濾波后的直流電平不變。若555的振蕩頻率f0向高漂移（或fn下降），則占空比加大，直流控制電平會(huì)相應(yīng)增加，會(huì)使頻率下降；反之亦然。

　　時(shí)鐘同步的振蕩器電路

　　可編程的時(shí)鐘振蕩器電路圖

　　石英晶體矩形波振蕩器電路主要用于比較新穎的數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器。該電路的石英晶體處于諧振狀態(tài)時(shí)傳輸量最大，這時(shí)便按晶體的諧振蕩率振蕩。由于LM111的高輸出阻抗與C2的隔離作用，使得石英晶體的負(fù)載非常輕。振蕩頻率的穩(wěn)定度極高。該電路右獲得100KHz的矩形波輸出。

　　石英晶體矩形波振蕩器電路圖

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用-時(shí)鐘振蕩器的參數(shù)

　　今天無數(shù)電子線路和應(yīng)用需要精確定時(shí)或時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)。晶體時(shí)鐘振蕩器極為適合這方面的許多應(yīng)用。那么我們改如何現(xiàn)在合適的時(shí)鐘振蕩器？

　　---- 時(shí)鐘振蕩器有多種封裝，它的特點(diǎn)是電氣性能規(guī)范多種多樣。它有好幾種不同的類 型：電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）、恒溫箱晶體振蕩器

　?。∣CXO），以及數(shù)字補(bǔ)償晶體振蕩器（DCXO）。每種類型都有自己的獨(dú)特性能。

　　---- 頻率穩(wěn)定性的考慮

　　---- 晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性，它是決定振蕩器價(jià)格的重要因 素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價(jià)格亦愈高。

　　---- 設(shè)計(jì)工程師要慎密決定對特定應(yīng)用的實(shí)際需要，然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度。指標(biāo)過 高意味著花錢愈多。

　　---- 對于頻率穩(wěn)定度要求±20ppm 或以上的應(yīng)用，可使用普通無補(bǔ)償?shù)木w振蕩器。對 于成于±1 至±20ppm 的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮 TCXO。對于低于±1ppm 的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮 OC XO 或 DCXO。

　　---- 輸出

　　---- 必需考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動(dòng)、電壓穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定性、功 耗、封裝形式、沖擊和振動(dòng)、以及電磁干擾（EMI）。晶振器可 HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼 容、ECL 和正弦波輸出。每種輸出類型都有它的獨(dú)特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互 補(bǔ)輸出的要求。對稱性、上升和下降時(shí)間以及邏輯電平對某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定。

　　許多DSP 和通信芯片組往往需要嚴(yán)格的對稱性（45%至 55%）和快速的上升和下降時(shí)間（小 于 5ns）。

　　---- 相位噪聲和抖動(dòng)

　　---- 在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實(shí)量度。它可測量到中央頻率的 1Hz之內(nèi)和通常測量到 1MHz。

　　---- 振蕩器的相位噪聲在遠(yuǎn)離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO 和 OCXO 振蕩器以及其它 利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸 出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能。

　　---- 抖動(dòng)與相位噪聲相關(guān)，但是它在時(shí)域下測量。以微微秒表示的抖動(dòng)可用有效值或峰

　　—峰值測出。許多應(yīng)用，例如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、ATM 和 SONET 要求必需滿足嚴(yán)格 的拌動(dòng)指標(biāo)。需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動(dòng)和相位噪聲特性。

　　---- 電源和負(fù)載的影響

　　---- 振蕩器的頻率穩(wěn)定性亦受到振蕩器電源電壓變動(dòng)以及振蕩器負(fù)載變動(dòng)的影響。正確 選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計(jì)者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負(fù)載下檢驗(yàn)振蕩 器的性能。不能期望只能額定驅(qū)動(dòng) 15pF 的振蕩器在驅(qū)動(dòng) 50pF 時(shí)會(huì)有好的表現(xiàn)。在超過建 議的電源電壓下工作的振蕩器亦會(huì)呈現(xiàn)壞的波形和穩(wěn)定性。

　　---- 對于需要電池供電的器件，一定要考慮功耗。引入 3.3V 的產(chǎn)品必然要開發(fā)在 3.3V 下 工作的振蕩器。

　　---- 較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運(yùn)行?，F(xiàn)今大部分市售的表面貼裝振蕩器在 3.3V 下 工作。許多采用傳統(tǒng) 5V 器件的穿孔式振蕩器正在重新設(shè)計(jì)，以便在 3.3V 下工作。

　　---- 封裝

　　---- 與其它電子元件相似，時(shí)鐘振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝。例如，M-tron 公司的M3L/M5L 系列表面貼裝振蕩器現(xiàn)在采用 3.2×5.0×1.0mm 的封裝。通常，較小型的器件比 較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選 擇之間作出折衷。

　　---- 工作環(huán)境

　　---- 振蕩器實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮。例如，高的振動(dòng)或沖擊水平會(huì)給振蕩器帶來問題。

　　---- 除了可能產(chǎn)生物理損壞，振動(dòng)或沖擊可在某些頻率下引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。這些外部感 應(yīng)的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻率跳動(dòng)、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。

　　---- 對于要求特殊 EMI 兼容的應(yīng)用，EMI 是另一個(gè)要優(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的 P C 母板布局技術(shù)，重要的是選擇可提供輻射量最小的時(shí)鐘振蕩器。一般來說，具有較慢上 升/下降時(shí)間的振蕩器呈現(xiàn)較好的 EMI 特性。

　　---- 對于 70MHz 以下的頻率，建議使用 HCMOS 型的振蕩器。對于更高的頻率，可采用 ECL 型的振蕩器。ECL 型振蕩器通常具有最好的總噪聲抑制，甚至在 10 至 100MHz 的較低頻率下，ECL 型也比其它型的振蕩器略勝一籌。