智能數字電路的生死取決于晶振的應用
來源：http://www.tuanchewang.com 作者：konuaer 2014年02月21
目前的智能數字電子產品市場越做越大，許多新產品不斷推出，功能也越來越智能化了，選購產品的時候能讓你挑花眼睛，如今的時代已不像以前那么古板了。現在是電子數字化時代，人們的生活都將離不開電子產品，如果要買東西都不用出門直接坐在家里動動鼠標就可以在網上輕松購物，肚子餓了打個電話飯菜送上門，多方便快捷。
像這些生活電子產品在市場上那是多的去了，不過朋友們在購買的時候可要擦亮你的眼睛了，別到頭來和我一樣花了幾千塊錢買了個手機沒用多久就不行了出問題了，打不了電話了，你說現在科技是越來越發達了，可做出來的電子產品咱就那么不得勁呢？據我了解像這種情況那年指定是里面的晶振出了問題。
如果要是晶振出了問題的話那這個手機就成了板磚，不管是手機，電腦，收音機，電視機，GPS導航儀等等，晶振都是它們里面最核心部位的元器。
晶振，在電路板上看上去是一個不起眼的小元件，但是在數字電路里，就像是整個電路的心臟。數字電路的所有工作都離不開時鐘，晶振的好壞，晶振電路設計的好壞，會影響到整個系統的穩定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統使用的晶振，對數字電路來說是決定成敗的第一步。
我們目前常說的晶振都是石英晶體振蕩器或者石英晶體諧振器的簡稱。他們都是利用石英晶體的壓電效應制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產生機械變形，反之，如果在晶體兩側施加機械壓力就會在晶體上產生電場。并且，這兩種現象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側施加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時產生交變電場。這種震動和電場一般都很小，但是在某個特定頻率下，振幅會明顯加大，這就是壓電諧振，和我們常見到的LC回路諧振有些類似。
當LCR這個支路發生串聯諧振的時候，其串聯諧振頻率為fs，其計算公式和普通的串聯諧振計算公式一樣： 當頻率繼續提高，高于fs時，LCR支路呈感性，這樣和C0產生并聯諧振，并聯諧振頻率fp，其計算公式為： 其中由于晶振的特性，C遠小于C0，所以fp和fs的值非常接近。通過電抗頻率特性曲線圖可以看出來，在這個狹窄的頻率范圍內，晶振整體表現出感性，這樣只需要在晶振外部并聯合適的電容，就可以組成并聯諧振電路。然后把這個并聯諧振電路加到負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路。這個合適的電容就是晶振的負載電容。
一個常見的晶振振蕩電路，晶振和C1、C2組成并聯諧振回路，接到芯片的管腳上，芯片內部的反相放大器和Rf組成負反饋回路，R1用來限制流入晶振的電流。有些芯片會把Rf和R1集成到器件中，這樣就降低了電路設計的難度。，并且保證了系統的穩定性。晶振的重要參數就是負載電容，選擇與負載電容相等的電容并聯，能保證晶振工作在額定頻率。假如晶振的負載電容是15pf，那么C1、C2我們可以選擇30pf，考慮到芯片管腳電容和PCB走線電容的影響，這個取值也可以適當減小，27pf，22pf一般也能正常工作。在滿足起震要求的情況下，C1、C2可以選擇的盡量小，這樣可以加快晶振的起震時間。需要注意的是，有些晶振廠商會直接提供C1、C2的推薦值，而不是給出負載電容，所以在實際使用的時候還是要根據使用的具體型號去和廠家確認。
晶振除了壓電效應以外，還有一個不能被忽略的特性，就是溫漂。晶振的振蕩頻率會隨著環境溫度的變化發生微小的偏移，這是晶振固有的特性。正是由于溫漂的存在，普通晶振的精度很難做的很高，常見的晶振精度多為40ppm，20ppm，很難做到10ppm以下。這種精度在一些對晶振精度要求不高的場合，如微處理器的時鐘輸入等，完全能夠滿足需求。但是在無線通信，蜂窩應用，廣播電視等應用領域，需要時鐘精確同步，普通晶振就很難滿足系統需求了。為了解決溫漂帶來的影響，系統就要選擇精度更高的溫補晶振或者恒溫晶振。溫補晶振是通過感應環境溫度，然后將溫度信息轉換成控制量控制晶振的輸出頻率。現在的溫補晶振多采用數字化技術，能夠達到更精確的控制。而恒溫晶振更進一步，將晶體置于恒溫槽內，通過設置恒溫工作點，使恒溫槽保持一個恒溫的狀態，晶體在恒溫槽內就可以不受外界溫度的影響，大大提高晶振輸出頻率的穩定度。溫補晶振和恒溫晶振的輸出精度都能夠達到1ppm甚至更高。能夠滿足嚴苛的系統需求。
像這些生活電子產品在市場上那是多的去了，不過朋友們在購買的時候可要擦亮你的眼睛了，別到頭來和我一樣花了幾千塊錢買了個手機沒用多久就不行了出問題了，打不了電話了，你說現在科技是越來越發達了，可做出來的電子產品咱就那么不得勁呢？據我了解像這種情況那年指定是里面的晶振出了問題。
如果要是晶振出了問題的話那這個手機就成了板磚，不管是手機，電腦，收音機，電視機，GPS導航儀等等，晶振都是它們里面最核心部位的元器。晶振，在電路板上看上去是一個不起眼的小元件，但是在數字電路里，就像是整個電路的心臟。數字電路的所有工作都離不開時鐘，晶振的好壞，晶振電路設計的好壞，會影響到整個系統的穩定性。所以更多的了解晶振，選擇好系統使用的晶振，對數字電路來說是決定成敗的第一步。
我們目前常說的晶振都是石英晶體振蕩器或者石英晶體諧振器的簡稱。他們都是利用石英晶體的壓電效應制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產生機械變形，反之，如果在晶體兩側施加機械壓力就會在晶體上產生電場。并且，這兩種現象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側施加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時產生交變電場。這種震動和電場一般都很小，但是在某個特定頻率下，振幅會明顯加大，這就是壓電諧振，和我們常見到的LC回路諧振有些類似。
當LCR這個支路發生串聯諧振的時候，其串聯諧振頻率為fs，其計算公式和普通的串聯諧振計算公式一樣： 當頻率繼續提高，高于fs時，LCR支路呈感性，這樣和C0產生并聯諧振，并聯諧振頻率fp，其計算公式為： 其中由于晶振的特性，C遠小于C0，所以fp和fs的值非常接近。通過電抗頻率特性曲線圖可以看出來，在這個狹窄的頻率范圍內，晶振整體表現出感性，這樣只需要在晶振外部并聯合適的電容，就可以組成并聯諧振電路。然后把這個并聯諧振電路加到負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路。這個合適的電容就是晶振的負載電容。
一個常見的晶振振蕩電路，晶振和C1、C2組成并聯諧振回路，接到芯片的管腳上，芯片內部的反相放大器和Rf組成負反饋回路，R1用來限制流入晶振的電流。有些芯片會把Rf和R1集成到器件中，這樣就降低了電路設計的難度。，并且保證了系統的穩定性。晶振的重要參數就是負載電容，選擇與負載電容相等的電容并聯，能保證晶振工作在額定頻率。假如晶振的負載電容是15pf，那么C1、C2我們可以選擇30pf，考慮到芯片管腳電容和PCB走線電容的影響，這個取值也可以適當減小，27pf，22pf一般也能正常工作。在滿足起震要求的情況下，C1、C2可以選擇的盡量小，這樣可以加快晶振的起震時間。需要注意的是，有些晶振廠商會直接提供C1、C2的推薦值，而不是給出負載電容，所以在實際使用的時候還是要根據使用的具體型號去和廠家確認。
晶振除了壓電效應以外，還有一個不能被忽略的特性，就是溫漂。晶振的振蕩頻率會隨著環境溫度的變化發生微小的偏移，這是晶振固有的特性。正是由于溫漂的存在，普通晶振的精度很難做的很高，常見的晶振精度多為40ppm，20ppm，很難做到10ppm以下。這種精度在一些對晶振精度要求不高的場合，如微處理器的時鐘輸入等，完全能夠滿足需求。但是在無線通信，蜂窩應用，廣播電視等應用領域，需要時鐘精確同步，普通晶振就很難滿足系統需求了。為了解決溫漂帶來的影響，系統就要選擇精度更高的溫補晶振或者恒溫晶振。溫補晶振是通過感應環境溫度，然后將溫度信息轉換成控制量控制晶振的輸出頻率。現在的溫補晶振多采用數字化技術，能夠達到更精確的控制。而恒溫晶振更進一步，將晶體置于恒溫槽內，通過設置恒溫工作點，使恒溫槽保持一個恒溫的狀態，晶體在恒溫槽內就可以不受外界溫度的影響，大大提高晶振輸出頻率的穩定度。溫補晶振和恒溫晶振的輸出精度都能夠達到1ppm甚至更高。能夠滿足嚴苛的系統需求。
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