張澤宇

長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

控制系統(tǒng)中時(shí)序的研究

張澤宇

長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033

隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，晶振發(fā)展也成為必然趨勢(shì)，將會(huì)朝著小型化、低噪聲、高頻化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗、快啟動(dòng)與低工作電壓的發(fā)展方向進(jìn)行開拓。目前晶振一般工作電壓3.3V，很多產(chǎn)品電流損耗不超過(guò)2mA。應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)廣，主要應(yīng)用在儀器儀表、工控系統(tǒng)、通信等。目前國(guó)內(nèi)晶振生產(chǎn)行業(yè)正在擺脫低端產(chǎn)品的制造，向高端產(chǎn)品發(fā)展。

振蕩頻率；脈沖信號(hào)；時(shí)鐘振蕩器；

目前在國(guó)際市場(chǎng)上，各晶振生產(chǎn)企業(yè)正在積極地尋求降低產(chǎn)品成本的原材料，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高端性能和低廉價(jià)格的最優(yōu)化。石英晶體振蕩器的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在通信系統(tǒng)中，發(fā)展很迅速，技術(shù)上更加成熟。石英晶振在民用上主要應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通訊及高速數(shù)字圖像傳輸?shù)?，在這些領(lǐng)域中，石英晶體振蕩器是其它類型的振蕩器所不能替代的。石英晶體振蕩器在發(fā)展過(guò)程中，也面臨像頻率發(fā)生器這類電路的潛在威脅和挑戰(zhàn)。此類振蕩器只有在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，才能延長(zhǎng)其壽命周期，在競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。

1 晶振作用

所有的帶有CPU的系統(tǒng)里必須有晶振，晶振的作用是不可取代的，它獨(dú)立或和其他電路一起產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘頻率，CPU的系統(tǒng)的指令都是依照時(shí)鐘頻率來(lái)進(jìn)行工作的。晶振產(chǎn)生的頻率越高，CPU的運(yùn)算速度越快。數(shù)字電路都是按節(jié)拍來(lái)進(jìn)行處理的而晶振就是提供這個(gè)節(jié)拍的，如果沒有了晶振，也就沒有了節(jié)拍，那也就不能處理任何數(shù)據(jù)了。

2 晶振原理

晶振最簡(jiǎn)化原理可以等效成阻容網(wǎng)絡(luò)，由兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成。考慮到可能有的各種干擾成分，將電路人為的加進(jìn)各種保護(hù)電路，一般情況下采用負(fù)反饋電路提高穩(wěn)定性，即使在高低溫狀態(tài)下，其他元器件的參數(shù)有所變化，也可以保證輸出的頻率范圍在一定的范圍內(nèi)。晶振的電路圖如圖1所示。

圖1 晶振的電路圖

3 晶振類別

按照晶振的工作方式不同可將晶振分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類型。

3.1 無(wú)源晶振

無(wú)源晶振自身無(wú)法產(chǎn)生振蕩信號(hào)，需要借助外圍電路的配合才能輸出時(shí)鐘頻率。其對(duì)輸入的電壓沒有具體要求，當(dāng)工作時(shí)，可根據(jù)外圍輸入的電壓要求輸出不同電壓的時(shí)鐘頻率。

無(wú)源晶振電路圖如圖2所示。

圖2 無(wú)源晶振電路圖

無(wú)源晶振其缺點(diǎn)是信號(hào)質(zhì)量比較差，需要精確匹配外圍電路，比較繁瑣，更換不同頻率晶振，外圍電路參數(shù)也需要相對(duì)調(diào)整。無(wú)源晶振工作時(shí)，兩腳之間的電壓為0.1～2.5V左右，一般為供電電壓的一半。兩腳的電壓不會(huì)一樣，判斷其好壞，可以測(cè)量?jī)赡_之間的阻值，應(yīng)該是無(wú)窮大。

無(wú)源晶振在使用時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到以下兩種情況。

1）不起振：這種情況是最常見的，當(dāng)敲擊上電復(fù)位后不起振的晶振時(shí)，晶振又恢復(fù)正常工作，這是欠激勵(lì)現(xiàn)象，主要室由于激勵(lì)功率不足導(dǎo)致起振時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。這時(shí)要選用能耗小的晶振，同時(shí)減少外界電容，縮短啟動(dòng)時(shí)間。

2）頻率偏差大：這是過(guò)度激勵(lì)現(xiàn)象，解決方法在芯片相關(guān)腳串接電阻調(diào)整至輸出波形。

3.2 有源晶振

有源晶振可以脫離其它電路，獨(dú)立工作，其內(nèi)部不光有石英晶體，還集成了晶體管、集成電路及阻容元件。石英晶體具有壓電效應(yīng)，當(dāng)在石英晶體的兩極加入一定的電壓后石英晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形產(chǎn)生了機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生交變電電場(chǎng)，盡管變電電場(chǎng)非常微弱，但其頻率是非常穩(wěn)定的。當(dāng)變電電場(chǎng)頻率和石英晶體本身的固有頻率相吻合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)的幅度會(huì)急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。

當(dāng)有源晶振應(yīng)用于CPU系統(tǒng)時(shí)，其不需要CPU系統(tǒng)的內(nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，而且連接方式簡(jiǎn)單。在實(shí)際工作中有源晶振的電源輸入端一般采用電源濾波器，電源濾波器可以有效地濾除電源紋波干擾，增強(qiáng)抗干擾能力；輸出端一般采取電容輸出濾波模式。

有源晶振電路圖如圖3所示。

時(shí)鐘信號(hào)PCB板布線走線時(shí)盡量使它的長(zhǎng)度短而寬，和其它PCB板的印制線間距盡量遠(yuǎn)一些，盡量緊靠器件布線，有時(shí)可能需要走內(nèi)層，還可能需要用地線包圍，避免對(duì)時(shí)鐘信號(hào)造成干擾。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了在晶振使用方法以及問題的闡述，讓我們更加了解晶振的重要性。從實(shí)際使用效果來(lái)看，當(dāng)需要輸出固定電壓的振動(dòng)頻率信號(hào)時(shí)，有源晶振的效果好于無(wú)源晶振。

TN2

A

1674-6708（2015）148-0027-01

張澤宇，研究方向：電子儀器