楊松
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晶振是每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都要用到的時(shí)鐘元件,全稱叫晶體震蕩器,在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大,其結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路,產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率,單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的,晶振提供的時(shí)鐘頻率越高,那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。那么什么是晶振?其的作用時(shí)什么?原理又是什么?下面一起來(lái)看看吧:
1.概念
晶振是石英振蕩器的簡(jiǎn)稱,英文名為Crystal,是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片),它是時(shí)鐘電路中最重要的部件。而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
2.基本結(jié)構(gòu)
晶體的基本構(gòu)成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片,在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼,就構(gòu)成了石英晶體諧振器。
圖1 石英晶體諧振器結(jié)構(gòu)
3.工作原理
晶振是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。
晶振一般采用如圖1a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路;實(shí)際的晶振交流等效電路如圖1b,其中Cv是用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率,一般用變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來(lái)實(shí)現(xiàn),這也是壓控作用的機(jī)理;把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co,C1,L1,RR是晶體的等效電路。
圖2 晶振電路原理圖
分析整個(gè)振蕩槽路可知,利用Cv來(lái)改變頻率是有限的:決定振蕩頻率的整個(gè)槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個(gè)電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)??梢钥闯觯篊1越小,Co越大,Cv變化時(shí)對(duì)整個(gè)槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實(shí)際上,由于C1很小(1E-15量級(jí)),Co不能忽略(1E-12量級(jí),幾PF)。所以,Cv變大時(shí),降低槽路頻率的作用越來(lái)越小,Cv變小時(shí),升高槽路頻率的作用卻越來(lái)越大。這一方面引起壓控特性的非線性,壓控范圍越大,非線性就越厲害;另一方面,分給振蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來(lái)越小,最后導(dǎo)致停振。采用泛音次數(shù)越高的晶振,其等效電容C1就越小;因此頻率的變化范圍也就越小。
4.作用
(1)為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振,便于各部分保持同步,有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振,而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
(2)晶振與鎖相環(huán)電路配合使用,以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào),可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。
圖3 晶振
5.主要參數(shù)
(1)頻率準(zhǔn)確度:在標(biāo)稱電源電壓、標(biāo)稱負(fù)載阻抗、基準(zhǔn)溫度(25℃)以及其他條件保持不變,晶體振蕩器的頻率相對(duì)與其規(guī)定標(biāo)稱值的最大允許偏差,即(fmax-fmin)/f0;
(2)溫度穩(wěn)定度:其他條件保持不變,在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對(duì)于溫度范圍內(nèi)輸出頻率極值之和的允許頻偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
(3)頻率調(diào)節(jié)范圍:通過(guò)調(diào)節(jié)晶振的某可變?cè)淖冚敵鲱l率的范圍。
(4)調(diào)頻(壓控)特性:
包括調(diào)頻頻偏、調(diào)頻靈敏度、調(diào)頻線性度。
?、僬{(diào)頻頻偏:壓控晶體振蕩器控制電壓由標(biāo)稱的最大值變化到最小值時(shí)輸出頻率差。
?、谡{(diào)頻靈敏度:壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量。
?、壅{(diào)頻線性度:是一種與理想直線(最小二乘法)相比較的調(diào)制系統(tǒng)傳輸特性的量度。
(5)負(fù)載特性:其他條件保持不變,負(fù)載在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱負(fù)載下的輸出頻率的最大允許頻偏。
(6)電壓特性:其他條件保持不變,電源電壓在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。
(7)雜波:輸出信號(hào)中與主頻無(wú)諧波(副諧波除外)關(guān)系的離散頻譜分量與主頻的功率比,用dBc表示。
(8)諧波:諧波分量功率Pi與載波功率P0之比,用dBc表示。
(9)頻率老化:在規(guī)定的環(huán)境條件下,由于元件(主要是石英諧振器)老化而引起的輸出頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)漂移過(guò)程。通常用某一時(shí)間間隔內(nèi)的頻差來(lái)量度。對(duì)于高穩(wěn)定晶振,由于輸出頻率在較長(zhǎng)的工作時(shí)間內(nèi)呈近似線性的單方向漂移,往往用老化率(單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)頻率變化)來(lái)量度。
(10)日波動(dòng):指振蕩器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后,每隔一小時(shí)測(cè)量一次,連續(xù)測(cè)量24小時(shí),將測(cè)試數(shù)據(jù)按S=(fmax-fmin)/f0式計(jì)算,得到日波動(dòng)。
開(kāi)機(jī)特性:在規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間內(nèi),振蕩器頻率值的最大變化,用V=(fmax-fmin)/f0表示。
(11)相位噪聲:短期穩(wěn)定度的頻域量度。用單邊帶噪聲與載波噪聲之比£(f)表示,£(f)與噪聲起伏的頻譜密度Sφ(f)和頻率起伏的頻譜密度Sy(f)直接相關(guān),由下式表示:
f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)
f—傅立葉頻率或偏離載波頻率;f0—載波頻率。
6.應(yīng)用
(1)通用晶體振蕩器,用于各種電路中,產(chǎn)生振蕩頻率。
(2)時(shí)鐘脈沖用石英晶體諧振器,與其它元件配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào),廣泛用于數(shù)字電路中。
(3)微處理器用石英晶體諧振器。
(4)CTVVTR用石英晶體諧振器。
(5)鐘表用石英晶體振蕩器。
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