硬件电路(8)-晶振

一、概述

        晶振，全称晶体振荡器，它能够产生中央处理器（CPU）执行指令所必须要的时钟频率信号，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。 凡是包含CPU的电子产品，其中至少含有一个时钟源，哪怕我们在电路板中看不到实际的振荡电路，那也是晶振在芯片内部被集成，往往被人们称之为电路系统的心脏。一旦心脏停止跳动，整块电路板可能出现瘫痪的状况。

晶振：晶振是有源晶振的简称，又叫振荡器。英文名称是oscillator。

晶体：晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器。英文名称是crystal.

二、工作原理

        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，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。

三、分类 

1、Package石英振荡器（SPXO）

        普通晶振，不施以温度控制及温度补偿的石英振荡器。频率温度特性依靠石英振荡晶体本身的稳定性。在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

2、电压控制石英振荡器（VCXO）

        以恒温槽保持石英标题二振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

3、温度补偿石英振荡器（TCXO）

        附加温度补偿回路，减少其频率因周围温度变动而变化之石英振荡器。

4、恒温槽式石英振荡器（OCXO）

        以恒温槽保持石英振荡器或石英振荡晶体在一定温度，控制其输出频率在周围温度下也能保持极小变化量之石英振荡器。

        OCXO称为恒温晶体振荡器，是利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定，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。该OCXO的稳定性优于所有其他晶体振荡器。OCXO用于卫星，电信和其他需要非常高的频率稳定性频率参考源的场合。OCXO可以提供不同的输出形状：正弦波、方波和HCMOS，也可以在不同的电源电压下使用：12 V、5 V和3.3 V

5、数字控制晶体振荡器（DCXO）

        DCXO称为数字控制晶体振荡器。当今，解决VC-TCXO带来的问题的一种替代解决方案是使用数控晶体振荡器，即DCXO。最近的GSM手机制造商正在设计架构中采用DCXO，以消除对VC-TCXO的使用。DCXO的成功完全取决于频率估计，频率校正和频率跟踪算法。与VCXO和TCXO相比，DCXO被认为非常稳定。

四、参数

1、频率

频率单位通常分为KHZ与MHZ，而对于有源晶振和无源晶振来讲，32.768既存在KHZ的单位，也存在MHZ的单位，因此频率的单位一定要标准清晰。

2、频偏

频率误差（Frequency Tolerance）或频率稳定度（Frequency Stability）。贴片晶振最高精度通常为10PPM比较常见，比较特殊的精度要求得订货。其次15ppm，20ppm，25ppm，30ppm，50ppm的等级依次分布。插件晶振以圆柱晶振为例，5ppm是其圆柱晶振中精度最高的一个等级，其次10ppm，20ppm，30ppm.

3、负载电容（CL）

负载电容是与晶体元件一起决定负载谐振频率FL的有效外界电容。晶体元件规范中的CL是一个测试条件也是一个使用条件，这个值可在用户具体使用时根据情况作适当调整，来微调FL的实际工作频率（也即晶体的制造公差可调整）。

但它有一个合适值，否则会给振荡电路带来恶化，其值通常采用10pF、15pF 、20pF、30pF、50pF、∝等，其中当CL标为∝时表示其应用在串联谐振型电路中，不要再加负载电容，并且工作频率就是晶体的（串联）谐振频率Fr。

用户应当注意，对于某些晶体（包括不封装的振子应用），在某一生产规范既定的负载电容下（特别是小负载电容时），±0.5pF的电路实际电容的偏差就能产生±10×10-6的频率误差。因此，负载电容是一个非常重要的订货规范指标。

4、温度参数

        温度参数，通常我们所指的是工作温度，因为不同产品需要用到不同的参数，比如汽车级需要用到汽车级的温度-40到105摄氏度，工业级需要用到-40到85摄氏度，消费类产品-20到75常规即可。这也是我们晶振人通常会询问客户是做什么产品的一个原因。只有在真正了解客户的产品用途之后，我们才可以判断客户所需晶振的温度参数。

五、应用

Q:有源晶振引脚Tri-state三态输出指的是什么

        A:三种状态是低，高和高阻抗(HiZ或浮动)。高阻抗状态的输岀表现得好像它与电路断开，除了可能有小的漏电流。三态器件具有使能/禁止输入，通常在几乎任何封装的引脚1上。当使能为高电平或悬空时，器件振荡(输出高电平和低电平)，当引脚1接地(逻辑“0”)时，器件进入高阻态。总线是一组通用的电线，通常用于数据传输。三态总线有几个三态输出连接在一起。通过控制电路，除了一个总线上的所有设备都具有高阻抗状态的输出。其余器件使能，驱动高低输出总线。三态功能的其它应用是用于自动测试设备(ATE)。几个有源晶振输出连接在一起。对于控制电路，除了振荡器外，所有振荡器都具有高阻抗状态的输出。选择的振荡器将从计数器读出其频率。如果不需要三态Tri-state功能，建议三态引脚悬空。

晶振的作用无非是以下2种：

为系统提供基本的时钟信号。

1、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虽然使用不同的晶振，但是通过电子调频保持同步）。

2.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）