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一、什么是晶振?
晶振是石英振荡器的简称,英文名为Crystal,它是时钟电路中最重要的部件,它的次要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各局部提供基准频率,它就像个标尺,任务频率不波动会形成相关设备任务频率不波动,自然容易呈现成绩。
晶振还有个作用是在电路发生震荡电流,收回时钟信号.
晶振是晶体振荡器的简称。它用一种能把电能和机械能互相转化的晶体在共振的形态下任务,以提供波动,准确的单频振荡。在通常任务条件下,普通的晶振频率相对精度可达百万分之五十。初级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为压控振荡器(VCO)。
晶振在数字电路的根本作用是提供一个时序控制的规范时辰。数字电路的任务是依据电路设计,在某个时辰专门完成特定的义务,假如没有一个时序控制的规范时辰,整个数字电路就会成为“聋子”,不晓得什么时辰该做什么事情了。
晶振的作用是为零碎提供根本的时钟信号。通常一个零碎共用一个晶振,便于各局部坚持同步。有些通讯零碎的基频和射频运用不同的晶振,而经过电子调整频率的办法坚持同步。
晶振通常与锁相环电路配合运用,以提供零碎所需的时钟频率。假如不同子零碎需求不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
电路中,为了失掉交流信号,可以用RC、LC谐振电路获得,但这些电路的振荡频率并不波动。在要求失掉高波动频率的电路中,必需运用石英晶体振荡电路。石英晶体具有高质量因数,振荡电路采用了恒温、稳压等方式当前,振荡频率波动度可以到达10^(-9)至10^(-11)。普遍使用在通讯、时钟、手表、计算机……需求高波动信号的场所。
石英晶振不分正负极, 外壳是地线,其两条不分正负
二、晶振的运用
晶振,在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的上下分其中较低 的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振。由于晶体本身的特性致使这两个频率的间隔相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只需晶 振的两端并联上适宜的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反应电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄, 所以即便其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以失掉晶振标称的谐振频率。
普通的晶振振荡电路都是在一个反相缩小器(留意是缩小器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容辨别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请留意普通IC的引脚都有等效输出电容,这个不能疏忽。
普通的晶振的负载电容为15p或12.5p ,假如再思索元件引脚的等效输出电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比拟好的选择。
晶振是为电路提供频率基准的元器件,通常分红有源晶振和无源晶振两个大类,无源晶振需求芯片外部有振荡器,并且晶振的信号电压依据起振电路而定,允许不同的电压,但无源晶振通常信号质量和精度较差,需求准确婚配核心电路(电感、电容、电阻等),如需改换晶振时要同时改换核心的电路。有源晶振不需求芯片的外部振荡器,可以提供高精度的频率基准,信号质量也较无源晶振要好。
每种芯片的手册上都会提供内部晶振输出的规范电路,会标明芯片的最高可运用频率等参数,在设计电路时要掌握。与计算机用CPU不同,单片机如今所能接纳的晶振频率绝对较低,但关于普通控制电路来说足够了。
晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两品种型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文称号不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需求借助于时钟电路才干发生振荡信号,本身无法振荡起来,所以“无源晶振”这个说法并不精确;有源晶振是一个完好的谐振振荡器。
谐振振荡器包括石英(或其晶体资料)晶体谐振器,陶瓷谐振器,LC谐振器等。
晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。
石英晶片所以能做振荡电路(谐振)是基于它的压电效应,从物理学中晓得,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体发生机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上发生电场,这种景象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压,就会发生机械变形振动,同机遇械变形振动又会发生交变电场。普通来说,这种机械振动的振幅是比拟小的,其振动频率则是很波动的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决议于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧添加,这种景象称为压电谐振,因而石英晶体又称为石英晶体谐振器。 其特点是频率波动度很高。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供波动电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是应用石英晶体的压电效应来起振,而石英晶体谐振器是应用石英晶体和内置IC来共同作用来任务的。振荡器间接使用于电路中,谐振器任务时普通需求提供3.3V电压来维持任务。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数为:谐振电阻(RR),谐振器没有电阻要求。RR的大小间接影响电路的功能,也是各商家竞争的一个重要参数。
三、概述
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;基于相移电路的时钟源,如:RC (电阻、电容)振荡器。硅振荡器通常是完选集成的RC振荡器,为了进步波动性,包括有时钟源、婚配电阻和电容、温度补偿等。
机械式谐振器与RC振荡器的次要区别
基于晶振与陶瓷谐振槽路(机械式)的振荡器通常能提供十分高的初始精度和较低的温度系数。绝对而言,RC振荡器可以疾速启动,本钱也比拟低,但通常在整个温度和任务电源电压范围内精度较差,会在标称输入频率的5%至50%范围内变化。图1所示的电路能发生牢靠的时钟信号,但其功能受环境条件和电路元件选择以及振荡器电路布局的影响。需仔细看待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在运用时,陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必需依据特定的逻辑系列停止优化。具有高Q值的晶振对缩小器的选择并不敏感,但在过驱动时很容易发生频率漂移(甚至能够损坏)。影响振荡器任务的环境要素有:电磁搅扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些要素会增大输入频率的变化,添加不波动性,并且在有些状况下,还会形成振荡器停振。
振荡器模块
上述大局部成绩都可以经过运用振荡器模块防止。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输入,并且可以在一定条件下保证运转。最常用的两品种型是晶振模块和集成硅振荡器。晶振模块提供与分立晶振相反的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高,少数状况下可以提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。
功耗
选择振荡器时还需求思索功耗。分立振荡器的功耗次要由反应缩小器的电源电流以及电路外部的电容值所决议。CMOS缩小器功耗与任务频率成反比,可以表示为功率耗散电容值。比方,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下任务时,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。
陶瓷谐振槽路普通具有较大的负载电容,相应地也需求更多的电流。
相比之下,晶振模块普通需求电源电流为10mA至60mA。
硅振荡器的电源电流取决于其类型与功用,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,任务在4MHz时只需不到2mA的电流。
时钟电路晶振与时钟IC芯片
主板时钟芯片电路提供应CPU,主板芯片组和各级总线(CPU总线,AGP总线,PCI总线,PCIE总线等)和主板各个接口局部根本任务频率,有了它,计算机才干在CPU控制下,按步就班,协调地完成各项功用任务:
1.晶振的任务原理: 主板时钟芯片即分频器的原始任务振荡频率,由石英晶体多谐振荡器的谐振频率来发生,晶振其实是一个频率发生器,他次要把传出来的电压转化为频率信号。提供应分频率一个基准的14.318MHZ的振荡频率,它是一个多谐振荡器的正回馈环电路,也就是说它把输出作为输入,把输入作为输出的回馈频率,象这样一个永无休止的循环自激进程。
⒉在主板上罕见的时钟晶振:有14.318M(主时钟)与32.768HZ(南桥 旁边的时钟)
⒊时钟IC芯片简介:他次要起着缩小频率和减少频率的作用,他和晶振组合后才干在主板上起作用。我们把他称做为时钟发作器(晶振+时钟IC芯片)
⒋时钟发作器的任务原理:时钟我们可以把他定义为各个部件的总线频率速度,他起着分配给各个部件的频率使他们可以正常任务。当晶振通电后收回的频率送入时钟IC芯片,它的各脚会传出绝对应的频率通个时钟IC芯片旁边的电阻(时钟IC芯片旁边左右两边一排的小电阻根本为220=22欧,330=33欧).而内存,与AGP这些高速的时钟是由北桥外部提供应它的,(注有些主板AGP时钟不是由北桥提供的)将频率信号分配到主板各个部件,如(PCI 33M,CPU 100M133M200M I/O 48M和14M,南桥33M &14M北桥100M7&133M&200M
时钟IC芯片
下面讲到了时钟的发生,那他是如何任务的接上去我给大家解说一下时钟IC芯片.时钟IC芯片的任务条件:
①.供电→他的供电根本上都经过个子较大的贴片电感进入时钟IC芯片(贴片电感时钟IC芯片左近就可以找到 由于他比其它帖片要胖一点)。时钟IC芯片晚期的供电有2组到3组:2组供电为2.5V与3.3V 3组供电为2.5V与2.8V时钟IC芯片前期的供电有1组到2组:1组为+3.3V 2组为3.3V与2.5V
②PG信号是在启动时输入电压都波动后再给电脑一个启动信号,让电脑正式启动,而在不测断电时也能及时地送出关机信号让电脑马上中止任务,对电脑的波动和外设起了很大的维护作用。PG信号根本是经过时钟IC芯片旁边的阻值较大的电阻(10K、4.7K电阻)进入时钟IC芯片外部的(PG要高于1.5V)当供电与PG都正常后时钟IC芯片外部才干正常任务,和晶体一同发生振荡,在晶体的两脚均可以看到波形。晶体的两脚之间的阻值在450---700欧之间。在它的两脚各有1V左右的电压,由分频器提供。他才干把14.318晶振送来的时钟频率缩小或减少后输给主板的各个部件.
时钟电路构架
下面大家晓得了它的各个主成局部后,再来看看它的整个构架图
PLL是Phase-Locked Loop的缩写,中文含义为锁相环。PLL根本上是一个闭环的反应控制零碎,它可以使PLL的输入可以与一个参考信号坚持固定的相位关系。PLL普通由鉴相器、电荷缩小器(Charge Pump)、低通滤波器、压控振荡器、以及某种方式的输入转换器组成。为了使得PLL的输入频率是参考时钟的倍数关系,在PLL的反应途径或(和)参考信号途径上还可以放置分频器。PLL的功用表示图如下图所示:
压控振荡器发生周期性的输入信号,假如其输入频率低于参考信号的频率,鉴相器经过电荷缩小器改动控制电压使压控振荡器就的输入频率进步。假如压控振荡器的输入频率高于参考信号的频率,鉴相器经过电荷缩小器改动控制电压使压控振荡器就的输入频率降低。低通滤波器的作用是平滑电荷缩小器的输入,这样在鉴相器停止巨大调整的时分,零碎趋向一个稳态。
负载电容及反应电阻
能够有些初学者会对晶振的频率感到奇异,12M、24M之类的晶振较好了解,选用如11.0592MHZ的晶振给人一种奇异的觉得,这个成绩解释起来比拟费事,假如初学者在练习串口编程的时分就会对此有所了解,这种晶振次要是可以方便和准确的设计串口或其它异步通讯时的波特率。
问: 我发如今运用晶振时会和它并一个电阻,普通1M以上,我把它去掉,板子仍可正常任务,请问这个电阻有什么用?可以不必吗? 我有看到过不必的!不了解~
答: 这个电阻是反应电阻,是为了保证反相器输出端的任务点电压在VDD/2,这样在振荡信号反应在输出端时,能保证反相器任务在适当的任务区。虽然你去掉该电 阻时,振荡电路仍任务了。但是假如从示波器看振荡波形就会不分歧了,而且能够会形成振荡电路因任务点不适宜而停振。所以千万不要省略此电阻。 这个电阻是为了使原本为逻辑反相器的器件任务在线性区, 以取得增益, 在饱和区是没有增益的, 而没有增益是无法振荡的. 假如用芯片中的反相器来作振荡, 必需外接这个电阻, 关于CMOS而言可以是1M以上, 关于TTL则比拟复杂, 视不同类型(S,LS...)而定. 假如是芯片指定的晶振引脚, 如在某些微处置器中, 经常可以不加, 由于芯片外部曾经制造了, 要细心阅读DATA SHEET的有关阐明.
和晶振并联的电阻作为负载,普通1M欧。也有和晶振串联的电阻为谐振电阻。.
问:晶振的参数里有配用的谐振电容值。比方说32.768K的是12.5pF;4.096M的是20pF. 这个值和实践电路中晶振上接的两个电容值是什么关系?像DS1302用的就是32.768K的晶振,它外部的电容是6pF的
答: 你所说的是晶振的负载电容值。指的是晶振交流电路中,参与振荡的,与晶振串联或并联的电容值。晶振电路的频率次要由晶振决议,但既然负载电容参与振荡,必 然会对频率起微调作用的。负载电容越小,振荡电路频率就会越高4.096MHz的负载电容为20pF,阐明晶振自身的谐振频率<4.096MHz, 但假如让20pF的电容参与振荡,频率就会降低为4.096MHz。或许有人会问为什么这么费事,不如将晶振间接做成4.096MHz而不必负载电容?不 是没有这样的晶振,但实践电路设计中有多种振荡方式,为了振荡反应信号的相移等缘由,也无为了频率偏向便于调整等缘由,大都电路中均有电容参与振荡。为了 精确掌握晶振电路中该用多大的电容,只需掌握晶体负载电容应等于振荡回路中的电容+杂散电容就可以了。你所说的IC中6pF的电容就可看作杂散电容
石英晶体振荡器是应用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的根本构造大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品普通用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体的压电效应:若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会发生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将发生电场,这种物理景象称为压电效应。留意,这种效应是可逆的。假如在晶片的两极上加交变电压,晶片就会发生机械振动,同时晶片的机械振动又会发生交变电场。在普通状况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅十分巨大,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅分明加大,比其他频率下的振幅大得多,这种景象称为压电谐振,它与LC回路的谐振景象非常类似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何外形、尺寸等有关。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的上下分其中较低的频率为串联谐振,较高的频率为并联谐振。由于晶体本身的特性致使这两个频率的间隔相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只需晶振的两端并联上适宜的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反应电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即便其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以失掉晶振标称的谐振频率。
普通的晶振振荡电路都是在一个反相缩小器(留意是缩小器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容辨别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请留意普通IC的引脚都有等效输出电容,这个不能疏忽。
普通的晶振的负载电容为15p或12.5p ,假如再思索元件引脚的等效输出电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比拟好的选择。
晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两品种型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文称号不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需求借助于时钟电路才干发生振荡信号,本身无法振荡起来,所以“无源晶振”这个说法并不精确;有源晶振是一个完好的谐振振荡器。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供波动电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是应用石英晶体的压电效应来起振,而石英晶体谐振器是应用石英晶体和内置IC共同作用来任务的。振荡器间接使用于电路中,谐振器任务时普通需求提供3.3V电压来维持任务。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数:谐振电阻(RR),谐振器没有电阻要求。RR的大小间接影响电路的功能,因而这是各商家竞争的一个重要参数。
四、无源晶体与有源晶振的区别、使用范围及用法:
1、无源晶体——无源晶体需求用DSP片内的振荡器,在datasheet上有建议的衔接办法。无源晶体没有电压的成绩,信号电平是可变的,也就是说是依据起振电路来决议的,异样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP,而且价钱通常也较低,因而关于普通的使用假如条件答应建议用晶体,这尤其合适于产品线丰厚批量大的消费者。无源晶体绝对于晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需求准确婚配核心电路(用于信号婚配的电容、电感、电阻等),改换不同频率的晶体时周边配置电路需求做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体,尽能够不要采用精度低的陶瓷警觉。
2、有源晶振——有源晶振不需求DSP的外部振荡器,信号质量好,比拟波动,而且衔接方式绝对复杂(次要是做好电源滤波,通常运用一个电容和电感构成的PI型滤波网络,输入端用一个小阻值的电阻过滤信号即可),不需求复杂的配置电路。有源晶振通常的用法:一脚悬空,二脚接地,三脚接输入,四脚接电压。绝对于无源晶体,有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的,需求选择好适宜输入电平,灵敏性较差,而且价钱高。关于时序要求敏感的使用,团体以为还是有源的晶振好,由于可以选用比拟精细的晶振,甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP外部没有起振电路,只能运用有源的晶振,如TI 的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大,但如今许多有源晶振是表贴的,体积和晶体相当,有的甚至比许多晶体还要小。
几点留意事项:
1、需求倍频的DSP需求配置好PLL周边配置电路,次要是隔离和滤波;
2、20MHz以下的晶体晶振根本上都是基频的器件,波动度好,20MHz以上的大多是谐波的(如3次谐波、5次谐波等等),波动度差,因而激烈建议运用低频的器件,毕竟倍频用的PLL电路需求的周边配置次要是电容、电阻、电感,其波动度和价钱方面远远好于晶体晶振器件;
3、时钟信号走线长度尽能够短,线宽尽能够大,与其它印制线间距尽能够大,紧靠器件布局布线,必要时可以走内层,以及用地线解围;
4、经过背板从内部引入时钟信号时有特殊的设计要求,需求详细参考相关的材料。
此外还要做一些阐明:
总体来说晶振的波动度等方面好于晶体,尤其是精细测量等范畴,绝大少数用的都是高档的晶振,这样就可以把各种补偿技术集成在一同,增加了设计的复杂性。试想,假如采用晶体,然后本人设计波形整形、抗搅扰、温度补偿,那样的话设计的复杂性将是什么样的呢?我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场所,就是采用高精度温补晶振的,工业级的要好几百元一个。
特殊范畴的使用假如找不到适宜的晶振,也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振程度,就必需本人设计了,这种状况下就要选用晶体了,不过这些晶体一定不是市场上的普通晶体,而是特殊的高端晶体,如红宝石晶体等等。
更高要求的范畴状况更特殊,我们这里在高精度测试时采用的时钟甚至是原子钟、铷钟等设备提供的,经过公用的射频接插件衔接,是个大型设备,相当轻巧。
晶振:即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中,谐振器用的更多,所以普通的概念中把晶振就同等于谐振器理
解了。后者就是通常所指钟振。
2、 分类。首先说一下谐振器。
谐振器普通分为插件(Dip)和贴片(SMD)。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型(圆柱)。HC-49U普通称49U,有些推销俗称 “高型”,而HC-49U/S普通称49S,俗称“矮型”。音叉型依照体积分可分为3*8,2*6,1*5,1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5(0705)、6*3.5(0603),5*3.2(5032)等等。脚位有4pin和2pin之分。
而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的,又称长方形或许14pin,半尺寸的又称为正方形或许8pin。不过要留意的是,这里的14pin和8pin都是指振荡器外部中心IC的脚位数,振荡器自身是4pin。而从不同的使用层面来分,又可分为OSC(普通钟振), TCXO(温度补偿),VCXO(压控),OCXO(恒温)等等。
3、 根本术语。我想这也是很多推销同窗比拟模糊的中央。这里我选了一些常用的谐振器术语拿来做一下解释。
Frequency Tolerance(调整频差):在规则条件下,在基准温度(25±2℃)与标称频率允许的偏向。普通用PPm(百万分之)表示。
Frequency Stability(温度频差):指在规则的任务温度范围内,与标称频率允许的偏向。用PPm表示。
Aging(年轻化率):在规则条件下,晶体任务频率随工夫而允许的绝对变化。以年为工夫单位权衡时称为年轻化率。
Shunt Capacitance(静电容):等效电路中与串联臂并接的电容,也叫并电容,通常用C0表示。
Load Capacitance(负载电容):与晶体一同决议负载谐振频率fL的无效外界电容,通常用CL表示。
普通最关注的参数有2个,即调整频差,负载电容。有一局部对温度频差有要求。假如任务温度范围比拟广,则会对任务温度范围有所要求,即所谓宽温。
4、选用。次要讲讲谐振器。实际下去说,只需参数确定,选任何一种型号都是可以正常运用的。例如49U和49S交换,49S和圆柱以及和贴片交换,都是没有成绩的。但在实践选择中会依据电路特点,本钱以及便当性来考量和选择。普通来说,复杂的使用中次要都是从本钱在思索。但是有些产品或许电路会对晶振的等效电阻,鼓励功率等等提出要求,所以就会在不同的型号中加以选择。另外,贴片则次要是为了顺应产品日益小型化和进步消费效率的要求。听到有些推销冤家说,只能选49S而不能用49U或许反之,这是一个小误区。呵呵。
而钟振的选择则次要决议产品电路的特性的要求,普通来说钟振在精细性以及需求到达相关使用的要求会更好。例如手机,通讯机站,卫星等等 |