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晶振在实际应用中具体所起的作用 时间:【2018-03-23】 共阅【343】次 【打印】【返回

      微控制器的时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的时钟源,如晶振、陶瓷谐振槽路;RC(电阻、电容)振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置,适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。

基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动,成本也比较低,但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差,会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。

但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时,陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感,但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有:电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化,增加不稳定性,并且在有些情况下,还会造成振荡器停振。
上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出,并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器(硅振荡器)。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高,多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。

选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比,可以表示为功率耗散电容值。比如,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF.在4MHz、5V电源下工作时,相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容,整个电源电流为2.2mA.陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容,相应地也需要更多的电流。相比之下,晶振模块一般需要电源电流为10mA ~60mA.硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能,范围可以从低频(固定)器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器,如MAX7375,工作在4MHz时只需不到2mA的电流 在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:精度、成本、功耗以及环境需求。
根据晶振的功能和实现技术的不同,可以将晶振分为以下四类:
1) 恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)
这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术,将晶体置于恒温槽内,通过设置恒温工作点,使槽体保持恒温状态,在一定范围内不受外界温度影响,达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备,包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要,该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图所示:
恒温晶体振荡器原理框图
OCXO的主要优点是,由于采用了恒温槽技术,频率温度特性在所有类型晶振中是最好的,由于电路设计精密,其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大,需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。 此类晶振的典型指标如下:
2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。
其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段,主要原理是通过感应环境温度,将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率,达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿,随着补偿技术的发展,很多数字化补偿大TCXO开始出现,这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO,用单片机进行补偿时我们称之为MCXO,由于采用了数字化技术,这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度,并且能够适应更宽的工作温度范围,主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。其设计原理如下图
MCXO数字温补晶振原理框图
这类型晶振的典型的应用指标如下:
3) 普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器,通常称为钟振,其工作原理为图3中去除"压控"、"温度补偿"和"AGC"部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

4) 压控晶体振荡器(VCXO)。这是根据晶振是否带压控功能来分类,带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO,以上三种类型的晶振都可以带压控端口。