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晶振在實際應用中具體所起的作用 時間:【2018-03-23】 共閱【704】次 【打印】【返回

      微控制器的時鐘源可以分為兩類:基于機械諧振器件的時鐘源,如晶振、陶瓷諧振槽路;RC(電阻、電容)振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置,适用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器。

基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數。RC振蕩器能夠快速啟動,成本也比較低,但通常在整個溫度和工作電源電壓範圍内精度較差,會在标稱輸出頻率的5%至50%範圍内變化。

但其性能受環境條件和電路元件選擇的影響。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和線路闆布局。在使用時,陶瓷諧振槽路和相應的負載電容必須根據特定的邏輯系列進行優化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感,但在過驅動時很容易産生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環境因素有:電磁幹擾(EMI)、機械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化,增加不穩定性,并且在有些情況下,還會造成振蕩器停振。
上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出,并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器(矽振蕩器)。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。矽振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高,多數情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當的精度。

選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路内部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比,可以表示為功率耗散電容值。比如,HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF.在4MHz、5V電源下工作時,相當于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負載電容,整個電源電流為2.2mA.陶瓷諧振槽路一般具有較大的負載電容,相應地也需要更多的電流。相比之下,晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA.矽振蕩器的電源電流取決于其類型與功能,範圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的矽振蕩器,如MAX7375,工作在4MHz時隻需不到2mA的電流 在特定的應用場合優化時鐘源需要綜合考慮以下一些因素:精度、成本、功耗以及環境需求。
根據晶振的功能和實現技術的不同,可以将晶振分為以下四類:
1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡稱OCXO)
這類型晶振對溫度穩定性的解決方案采用了恒溫槽技術,将晶體置于恒溫槽内,通過設置恒溫工作點,使槽體保持恒溫狀态,在一定範圍内不受外界溫度影響,達到穩定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設備,包括交換機、SDH傳輸設備、移動通信直放機、GPS接收機、電台、數字電視及軍工設備等領域。根據用戶需要,該類型晶振可以帶壓控引腳。OCXO的工作原理如下圖所示:
恒溫晶體振蕩器原理框圖
OCXO的主要優點是,由于采用了恒溫槽技術,頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的,由于電路設計精密,其短穩和相位噪聲都較好。主要缺點是功耗大、體積大,需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。 此類晶振的典型指标如下:
2) 溫度補償晶體振蕩器(以下簡稱TCXO)。
其對溫度穩定性的解決方案采用了一些溫度補償手段,主要原理是通過感應環境溫度,将溫度信息做适當變換後控制晶振的輸出頻率,達到穩定輸出頻率的效果。傳統的TCXO是采用模拟器件進行補償,随着補償技術的發展,很多數字化補償大TCXO開始出現,這種數字化補償的TCXO又叫DTCXO,用單片機進行補償時我們稱之為MCXO,由于采用了數字化技術,這一類型的晶振再溫度特性上達到了很高的精度,并且能夠适應更寬的工作溫度範圍,主要應用于軍工領域和使用環境惡劣的場合。其設計原理如下圖
MCXO數字溫補晶振原理框圖
這類型晶振的典型的應用指标如下:
3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡單的晶體振蕩器,通常稱為鐘振,其工作原理為圖3中去除"壓控"、"溫度補償"和"AGC"部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應用于穩定度要求不高的場合。

4) 壓控晶體振蕩器(VCXO)。這是根據晶振是否帶壓控功能來分類,帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO,以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。