時(shí)鐘振蕩器的原理與作用詳解

　　振蕩器就像電子系統中的電源一樣無(wú)處不在，有人認為它們的重要性等同于電源，在任何需要時(shí)序信號的東西中都能發(fā)現它們的應用，從數字手表到電視和PC。

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

　　振蕩器簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一個(gè)頻率源，一般用在鎖相環(huán)中。詳細說(shuō)就是一個(gè)不需要外信號激勵、自身就可以將直流電能轉化為交流電能的裝置。一般分為正反饋和負阻型兩種。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(guò)程和功能。能夠完成從直流電能到交流電能的轉化，這樣的裝置就可以稱(chēng)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制造的，當在晶片的兩面上加交變電壓時(shí)，晶片會(huì )反復的機械變形而產(chǎn)生振動(dòng)，而這種機械振動(dòng)又會(huì )反過(guò)來(lái)產(chǎn)生交變電壓。

　　晶體振蕩器，以下簡(jiǎn)稱(chēng)晶振，是利用了晶體的壓電效應制造的，當在晶片的兩面上加交變電壓時(shí)，晶片會(huì )反復的機械變形而產(chǎn)生振動(dòng)，而這種機械振動(dòng)又會(huì )反過(guò)來(lái)產(chǎn)生交變電壓。當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，這種現象稱(chēng)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(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)鐘振。好多鐘振一般還要做一些溫度補償電路在里面，讓振蕩頻率能更加準確。晶振振蕩器的等效電路也可以認為是一個(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，它與所屬電路系統中的主芯片內部的振蕩電路配合，共同組成“石英晶體諧振器”（簡(jiǎn)稱(chēng)“晶振”），產(chǎn)生主板上各個(gè)系統所必需的時(shí)鐘信號。工作時(shí)，首先由主芯片內部的“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”的振蕩信號從主芯片輸出后，直接加到晶體的兩端，通過(guò)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)頻率穩定、幅度恒定的時(shí)鐘脈沖，提供給主芯片內部的各個(gè)系統，使這些結構不同、功能各異的電路在“時(shí)鐘”的控制下，按照統一的“節奏”、數據傳輸速率（ bit/s）以及規定的“時(shí)序”（時(shí)間順序）相互配合、互相協(xié)調地工作，從而完成這個(gè)單元電路系統中的主芯片所擔負的功能。

　　簡(jiǎn)單的說(shuō)時(shí)鐘電路就是一個(gè)振蕩器，給單片機提供一個(gè)節拍，單片機執行各種操作必須在這個(gè)節拍的控制下才能進(jìn)行。因此單片機沒(méi)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(guò)程序讓單片機根據時(shí)鐘來(lái)做相應的工作。

　　幾乎所有的數字系統在處理信號都是按節拍一步一步地進(jìn)行的，系統各部分也是按節拍做的，要使電路的各部分統一節拍就需要一個(gè)“時(shí)鐘信號”，產(chǎn)生這個(gè)時(shí)鐘信號的電路就是時(shí)鐘電路。

　　時(shí)鐘電路的核心是個(gè)比較穩定的振蕩器（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(guò)電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的相互轉換產(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，很多應用石英晶體的石英晶體振蕩器，還有用集成運放組成的LC振蕩器。

　　由于器件不可能參數完全一致，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(lái)越強烈，導致到達一個(gè)暫穩態(tài)。暫穩態(tài)期間另一個(gè)三極管經(jīng)電容逐步充電后導通或者截止，狀態(tài)發(fā)生翻轉，到達另一個(gè)暫穩態(tài)。這樣周而復始形成振蕩。

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用--51單片機與時(shí)鐘電路

　　在MCS－51單片機片內有一個(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，由該放大器構成的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構成了單片機的時(shí)鐘方式。根據硬件電路的不同，單片機的時(shí)鐘連接方式可分為內部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，如圖1所示。

　　在內部方式時(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)微調電容構成振蕩電路，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)鐘信號并無(wú)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從XTAL2端送入內部時(shí)鐘電路，它將該振蕩信號二分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘信號P1和P2供單片機使用。時(shí)鐘信號的周期稱(chēng)為狀態(tài)時(shí)間S，它是振蕩周期的2倍，P1信號在每個(gè)狀態(tài)的前半周期有效，在每個(gè)狀態(tài)的后半周期P2信號有效。CPU就是以?xún)上鄷r(shí)鐘P1和P2為基本節拍協(xié)調單片機各部分有效工作的。

　　時(shí)鐘振蕩器的原理與作用-典型應用電路圖

　　在數字電路中常常需要用精確的秒脈沖信號來(lái)對檢測的信號進(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，然后經(jīng)多級分頻電路得到。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)生正的與負的窄幅脈沖信號。兩路脈沖信號經(jīng)高速運算放大器IC2比較放大后合并成周期為1秒的窄幅脈沖信號，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。

　　調節微調電容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數器調節電容C1便可以得到精確的秒脈沖信號。

　　精確的秒脈沖信號產(chǎn)生器電路圖

　　精確的基準時(shí)鐘振蕩電路：沖信號產(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)間常數有關(guān)外，還可由控制端的直流電平來(lái)調節。而該直流電平由基準頻率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(mén)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字系統的時(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，使得石英晶體的負載非常輕。振蕩頻率的穩定度極高。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

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

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

　?。∣CXO），以及數字補償晶體振蕩器（DCXO）。每種類(lèi)型都有自己的獨特性能。

　　---- 頻率穩定性的考慮

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

　　---- 設計工程師要慎密決定對特定應用的實(shí)際需要，然后規定振蕩器的穩定度。指標過(guò) 高意味著(zhù)花錢(qián)愈多。

　　---- 對于頻率穩定度要求±20ppm 或以上的應用，可使用普通無(wú)補償的晶體振蕩器。對 于成于±1 至±20ppm 的穩定度，應該考慮 TCXO。對于低于±1ppm 的穩定度，應該考慮 OC XO 或 DCXO。

　　---- 輸出

　　---- 必需考慮的其它參數是輸出類(lèi)型、相位噪聲、抖動(dòng)、電壓穩定度、負載穩定性、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(lèi)型都有它的獨特波形特性和用途。應該關(guān)注三態(tài)或互 補輸出的要求。對稱(chēng)性、上升和下降時(shí)間以及邏輯電平對某些應用來(lái)說(shuō)也要作出規定。

　　許多DSP 和通信芯片組往往需要嚴格的對稱(chēng)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定度的真實(shí)量度。它可測量到中央頻率的 1Hz之內和通常測量到 1MHz。

　　---- 振蕩器的相位噪聲在遠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。許多應用，例如通信網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)數據傳輸、ATM 和 SONET 要求必需滿(mǎn)足嚴格 的拌動(dòng)指標。需要密切注意在這些系統中應用的振蕩器的抖動(dòng)和相位噪聲特性。

　　---- 電源和負載的影響

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

　　---- 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(kāi)發(fā)在 3.3V 下 工作的振蕩器。

　　---- 較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運行?，F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 5V 器件的穿孔式振蕩器正在重新設計，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(lái)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在采用 3.2&TImes;5.0&TImes;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(lái)問(wèn)題。

　　---- 除了可能產(chǎn)生物理?yè)p壞，振動(dòng)或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動(dòng)作。這些外部感 應的擾動(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 兼容的應用，EMI 是另一個(gè)要優(yōu)先考慮的問(wèn)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(lái)說(shuō)，具有較慢上 升/下降時(shí)間的振蕩器呈現較好的 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。