石英晶体谐振器(quartz crystal oscillator)的简称,也称有源晶振,它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所需的时钟频率信号,CPU在此基础上执行所有指令,时钟信号频率越高,通常CPU运行速度越快。
只要是包含CPU电子产品至少包含一个时钟源。即使外面没有实际的振荡电路,它们也集成在芯片内。它们被称为电路系统的心脏。
在外部施加适当的电压后,可以输出预设的周期性时钟信号,
晶体振动的主要参数
上述周期性输出信号,它是晶体元件规格中规定的频率,也是工程师在电路设计和元件采购中首先关注的参数。晶体振动的常用标称频率为1~200MHz之间,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的输出频率也常用PLL(锁相环)低频倍频至1GHz以上。
或,用单位ppm也就是说,百万分之一(parts per million)(1/106)是相对标称频率的变化,这个值越小,精度越高。MHz晶振偏差为±20ppm,表示其频率偏差为24MHz×20Hz=±480Hz。
表示在特定温度范围内,工作频率与基准温度的允许偏差相比,其单位也是ppm。
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:晶体振动只有一个固定频率,但许多频率可以通过分频和倍频扩展。通过N分频,原始信号的频率变为原始的1/N,周期变成了原来的N倍。
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:频率为N倍,周期为1/N倍。倍频是用锁相环环(PLL)加倍频率的原理。STM32单片机外接8M但是主频可以跑72M。
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.负载电容CL:它是电路中跨晶体两端的总有效电容器(非晶体振动外部匹配电容器),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。振荡器电路的工作频率可通过调整负载电容器微调到标称值。负载电容器是无源晶体振动的一个非常重要的参数,因为无源晶体属于被动元件,无源晶体振动本身不能工作,需要外部元件的协助。
如果将交变电压添加到石英晶片中,晶体会产生机械振动,机械变形振动会产生交变电场。虽然交变电场的电压极其微弱,但振动频率非常稳定。当外交变电压的频率等于晶片的固有频率(与切割后的晶片尺寸有关,晶体越薄,切割难度越大,谐振频率越高)时,机械振动的范围将急剧增加,称为压电谐振。
无源晶振
按一定形状切割石英晶片后,用两个电极板夹住,形成无源晶振,符号图如下:
下图是一个与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。
其中:C1.动态等效串联电容;
L1.动态等效串联电感;
R1是动态等效串联电阻,是晶体内的摩擦当量
C0为静态电容,相当于两个电极板之间的电容;
该等效电路具有如下图所示的频响特性曲线:
当R1、L1、C串联支路谐振频率为串联谐振频率(Fr),此时容抗和感抗相互抵消,此时电路就像纯电阻电路,感抗等于容抗(XL=XC)。串联谐振的频率为:
等效串联电阻R1决定晶体元件的质量因数,又称机械Q值,是反映谐振器性能的重要参数 。它与L1和C1有以下关系:
R1越大,Q值越低,频率越不稳定。Q值越高,频率越稳定,晶体的特点是质量因素高。
等效电路还有一个反谐振频率fL(并联谐振频率),此时串联支路呈抗,相当于电感,如下图所示:
当晶体振动在并联谐振模式下工作时,晶体振动表现为感性。该模式的工作频率由晶体振动的负载决定。晶体振动制造商应指定并联谐振状态的负载电容器CL。在这种模式下,振动频率由下给出
通常,制造商的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL,当实际晶体元件应用于振荡电路时,它通常与负载电容器连接,使晶体工作在一起Fr和FL振荡电路的相位和有效电抗确定了它们之间的频率,晶体频率可以通过改变电路的电抗条件来调节。抗与感抗相互抵消(XC=XL),即支路相当于等效串联电阻R。串联谐振等效电路如下:
当负载电容与晶体串联时,如下图所示:
串联小电容器CL石英晶体的谐振频率可以在小范围内调整。此时,新的负载谐振频率如下:
其中,C1远远小于C0 CL
负载电容与晶体并联时,如下图所示:
同样,并联负载CL谐振频率也可以小范围调整,相应的负载谐振频率如下:
从实际效果来看,对于给定的负载电容值,F’r与F’L这两个频率是相同的,这是绝大多数晶体应用的实际频率,也是制造商满足产品标称频率要求的测试指标参数,即本文开头介绍的晶体振动标称频率。
当晶体元件与外部电容器连接(并联或串联)时,负载谐振频率的电阻为负载谐振电阻RL,它总是大于晶体元件本身的谐振电阻。
晶体本身不能产生振荡信号,只能通过相应的外部振荡器电路实现。下图是一个,晶体管Q1、Q由石英晶体组成的两级放大器X1与电容CL构成LC电路。石英晶体相当于电感,CL对于可变电容器,调整其容量,使电路进入谐振状态,输出波形为方波。
如下图所示,读者可能会看到更多这种形式。一般来说,单片机都有这样的电路。晶体振动的两个引脚与芯片(如单片机)内的反相器连接,然后与外部匹配电容器CL1、CL2、R1、R2,组成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)
上图中,U一是反相放大器,增益很大,CL1、CL2为匹配电容,是电容三点电路的分压电容,接地点为分压点。以接地点为参考点,即分压点,输入输出相反,但从并联谐振电路,即石英晶体两端,形成正反馈,确保电路持续振荡,对振荡频率影响较小,主要用于微调频率和波形,影响范围。X1是晶体,相当于三点式电感
R一是反馈电阻(一般)≥1MΩ),它使反相器在振荡初期处于线性工作区,R2与匹配的电容器形成网络,提供180度相移,同时限制振荡范围,防止反向器输出对晶体振动损坏。