時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處不在，有人認為它們的重要性等同於電源，在任何需要時序信號的東西中都能發現它們的應用，從數字手錶到電視和PC。

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　　振蕩器就是可以產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。

　　振蕩器簡單地說就是一個頻率源，一般用在鎖相環中。詳細說就是一個不需要外信號激勵、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，振蕩器包含了一個從不振蕩到振蕩的過程和功能。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為「振蕩器」。

　　時鐘振蕩器是利用了晶體的壓電效應製造的，當在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片會反覆的機械變形而產生振動，而這種機械振動又會反過來產生交變電壓。

　　晶體振蕩器，以下簡稱晶振，是利用了晶體的壓電效應製造的，當在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片會反覆的機械變形而產生振動，而這種機械振動又會反過來產生交變電壓。當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其它頻率下的振幅大得多，產生共振，這種現象稱為壓電諧振。晶振產生振蕩必須附加外部時鐘電路，一般是一個放大反饋電路，只有一片晶振是不能實現震蕩的。

　　於是就有了時鐘振蕩器，將外部時鐘電路跟晶振放在同一個封裝裡面，一般都有4個引腳了，兩條電源線為裡面的時鐘電路提供電源，又叫做有源晶振，時鐘振蕩器，或簡稱鍾振。好多鍾振一般還要做一些溫度補償電路在裡面，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LCR振蕩電路。

時鐘振蕩器的原理與作用-時鐘振蕩器的作用是什麼？

　　時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晶片內部的振蕩電路配合，共同組成「石英晶體諧振器」（簡稱「晶振」），產生主板上各個系統所必需的時鐘信號。工作時，首先由主晶片內部的「多諧振蕩器」產生一個頻譜很寬的振蕩，這個包含有多種「諧頻」的振蕩信號從主晶片輸出後，直接加到晶體的兩端，通過晶體的「精確選頻」作用，確定一個所需要的時鐘頻率之後，再反饋回晶片內部去控制「多諧振蕩器」的振蕩頻率。這樣，整個時鐘發生器就在晶體選定的頻率上工作，產生一個頻率穩定、幅度恆定的時鐘脈衝，提供給主晶片內部的各個系統，使這些結構不同、功能各異的電路在「時鐘」的控制下，按照統一的「節奏」、數據傳輸速率（ bit/s）以及規定的「時序」（時間順序）相互配合、互相協調地工作，從而完成這個單元電路系統中的主晶片所擔負的功能。

　　簡單的說時鐘電路就是一個振蕩器，給單片機提供一個節拍，單片機執行各種操作必須在這個節拍的控制下才能進行。因此單片機沒有時鐘電路是不會正常工作的。時鐘電路本身是不會控制什麼東西，而是你通過程序讓單片機根據時鐘來做相應的工作。

　　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「時鐘信號」，產生這個時鐘信號的電路就是時鐘電路。

　　時鐘電路的核心是個比較穩定的振蕩器（一般都用晶體振蕩器），振蕩器產生的是正弦波，頻率不一定是電路工作的時鐘頻率，所以要把這正弦波進行分頻，處理，形成時鐘脈衝，然後分配到需要的地方。讓系統裡各部分工作時使用。

　　時鐘振蕩器的原理與作用-時鐘振蕩器的原理

　　主要有由電容器和電感器組成的LC迴路，通過電場能和磁場能的相互轉換產程自由振蕩。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。

　　由於器件不可能參數完全一致，因此在上電的瞬間兩個三極體的狀態就發生了變化，這個變化由於正反饋的作用越來越強烈，導致到達一個暫穩態。暫穩態期間另一個三極體經電容逐步充電後導通或者截止，狀態發生翻轉，到達另一個暫穩態。這樣周而復始形成振蕩。

　　時鐘振蕩器的原理與作用--51單片機與時鐘電路

　　在MCS－51單片機片內有一個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鐘電路一起構成了單片機的時鐘方式。根據硬體電路的不同，單片機的時鐘連接方式可分為內部時鐘方式和外部時鐘方式，如圖1所示。

　　

　　在內部方式時鐘電路中，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。對於外接時鐘電路，要求XTAL1接地，XTAL2腳接外部時鐘，對於外部時鐘信號並無特殊要求，只要保證一定的脈衝寬度，時鐘頻率低於12MHz即可。

　　晶體振蕩器的振蕩信號從XTAL2端送入內部時鐘電路，它將該振蕩信號二分頻，產生一個兩相時鐘信號P1和P2供單片機使用。時鐘信號的周期稱為狀態時間S，它是振蕩周期的2倍，P1信號在每個狀態的前半周期有效，在每個狀態的後半周期P2信號有效。CPU就是以兩相時鐘P1和P2為基本節拍協調單片機各部分有效工作的。

　　時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衝信號來對檢測的信號進行採樣取值。實際中多採用高頻振蕩器產生高頻信號，然後經多級分頻電路得到。這裡介紹一種利用高頻石英鐘集成電路SM5511產生精確的秒脈衝的電路。

　　工作原理：電路如圖所示。IC1通電後，在其3腳與5腳分別產生正的與負的窄幅脈衝信號。兩路脈衝信號經高速運算放大器IC2比較放大後合併成周期為1秒的窄幅脈衝信號，經IC3 D型觸發器後變成周期為2秒，佔空比為1的秒脈衝信號。

　　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衝信號。

　

　　精確的秒脈衝信號產生器電路圖

　　

　　精確的基準時鐘振蕩電路：衝信號產生器

　　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時間常數有關外，還可由控制端的直流電平來調節。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觸發器輸出的方波，經低通濾波後產生。CD4001的兩個或非門電路組成RS觸發器，RS觸發器在鎖定情況下，輸出的佔空比不變，因而濾波後的直流電平不變。若555的振蕩頻率f0向高漂移（或fn下降），則佔空比加大，直流控制電平會相應增加，會使頻率下降；反之亦然。

　　時鐘同步的振蕩器電路

　　

　　可編程的時鐘振蕩器電路圖

　　石英晶體矩形波振蕩器電路主要用於比較新穎的數字系統的時鐘脈衝發生器。該電路的石英晶體處於諧振狀態時傳輸量最大，這時便按晶體的諧振蕩率振蕩。由於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

　　時鐘振蕩器的原理與作用-時鐘振蕩器的參數

　　今天無數電子線路和應用需要精確定時或時鐘基準信號。晶體時鐘振蕩器極為適合這方面的許多應用。那麼我們改如何現在合適的時鐘振蕩器？

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

　　（OCXO），以及數字補償晶體振蕩器（DCXO）。每種類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，它是決定振蕩器價格的重要因 素。穩定性愈高或溫度範圍愈寬，器件的價格亦愈高。

　　---- 設計工程師要慎密決定對特定應用的實際需要，然後規定振蕩器的穩定度。指標過 高意味著花錢愈多。

　　---- 對於頻率穩定度要求±20ppm 或以上的應用，可使用普通無補償的晶體振蕩器。對 於成於±1 至±20ppm 的穩定度，應該考慮 TCXO。對於低於±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型、相位噪聲、抖動、電壓穩定度、負載穩定性、功 耗、封裝形式、衝擊和振動、以及電磁幹擾（EMI）。晶振器可 HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼 容、ECL 和正弦波輸出。每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途。應該關注三態或互 補輸出的要求。對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應用來說也要作出規定。

　　許多DSP 和通信晶片組往往需要嚴格的對稱性（45%至 55%）和快速的上升和下降時間（小 於 5ns）。

　　---- 相位噪聲和抖動

　　---- 在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩定度的真實量度。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。採用鎖相環合成器產生輸 出頻率的振蕩器比採用非鎖相環技術的振蕩器一般呈現較差的相位噪聲性能。

　　---- 抖動與相位噪聲相關，但是它在時域下測量。以微微秒表示的抖動可用有效值或峰

　　—峰值測出。許多應用，例如通信網絡、無線數據傳輸、ATM 和 SONET 要求必需滿足嚴格 的拌動指標。需要密切注意在這些系統中應用的振蕩器的抖動和相位噪聲特性。

　　---- 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以及振蕩器負載變動的影響。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 15pF 的振蕩器在驅動 50pF 時會有好的表現。在超過建 議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現壞的波形和穩定性。

　　---- 對於需要電池供電的器件，一定要考慮功耗。引入 3.3V 的產品必然要開發在 3.3V 下 工作的振蕩器。

　　---- 較低的電壓允許產品在低功率下運行。現今大部分市售的表面貼裝振蕩器在 3.3V 下 工作。許多採用傳統 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，時鐘振蕩器亦採用愈來愈小型的封裝。例如，M-tron 公司的M3L/M5L 系列表面貼裝振蕩器現在採用 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。

　　---- 工作環境

　　---- 振蕩器實際應用的環境需要慎重考慮。例如，高的振動或衝擊水平會給振蕩器帶來問題。

　　---- 除了可能產生物理損壞，振動或衝擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感 應的擾動會產生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。

　　---- 對於要求特殊 EMI 兼容的應用，EMI 是另一個要優先考慮的問題。除了採用合適的 P C 母板布局技術，重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘振蕩器。一般來說，具有較慢上 升/下降時間的振蕩器呈現較好的 EMI 特性。

　　---- 對於 70MHz 以下的頻率，建議使用 HCMOS 型的振蕩器。對於更高的頻率，可採用 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。