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晶振頻率公差算法和負(fù)載匹配電路知識大綜合

來源:http://diker.cn 作者:jinluodz 2013年08月18
    很多工廠由于需要新機(jī)開發(fā),需要用到晶振,但又不知道具體的尺寸大小頻率等一些重要的參數(shù),便讓工程師四處尋找適合參數(shù)的晶振。今天接到一個來自于上海工程師的電話,他們工廠是做時鐘用的,需要用到一款有源晶振,但具體的參數(shù)并不知道。大多數(shù)對晶振有些許瞭解的人,都知道晶振的種類繁多,就算一款同樣的頻點,也存在著不同的體積。此工程師通過我們的分析后,在頻率公差這一問題上犯難了。其實不然,其實頻率公差就是精度值,精度值由ppm表示。舉個例子:如若晶振的精度范圍是5PPM,那么我們可以計算出一天的時間誤差是多少5(ppm)×24(一天24小時)×60(一小時60分鐘)×60(一分鐘60秒)=432000*1/1000000=0.423S即每日的誤差不超過0.423秒,以此類推,精度值越大,時間誤差越大。
    行者都知曉晶振有一個重要的參數(shù),那就是負(fù)載電容值,選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容,就可以以得到標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振,再有兩個電容分別接到晶振的兩端,每個電容的另一端再接到地,這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容,請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容,這個不能忽略。一般的晶振的負(fù)載電容為15p、20pf或12.5p ,如果再考慮元件引腳的等效輸入電容,則兩個22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。
    晶振廠家金洛電子生產(chǎn)的晶振,均有自帶負(fù)載電容功能,在線路上實用的時候還需要要外接電容,這樣會使晶振的精度更精確?,F(xiàn)在也有很多IC在使用晶振的時候外部不需要電容,但是這種產(chǎn)品一般要求都不是很嚴(yán)格,但是使用商家到是很喜歡。在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò),電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點,以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振,較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個極窄的頻率范圍內(nèi),晶振等效為一個電感,所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路,由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄,所以即使其他元件的參數(shù)變化很大,這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。
    晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件,通常分成有源晶振和無源晶振兩個大類,無源晶振需要芯片內(nèi)部有振蕩器,并且晶振的信號電壓根據(jù)起振電路而定,允許不同的電壓,但無源晶振通常信號質(zhì)量和精度較差,需要精確匹配外圍電路(電感、電容、電阻等),如需更換晶振時要同時更換外圍的電路。有源晶振不需要芯片的內(nèi)部振蕩器,可以提供高精度的頻率基準(zhǔn),信號質(zhì)量也較無源晶振要好。
   每種芯片的手冊上都會提供外部晶振輸入的標(biāo)準(zhǔn)電路,會表明芯片的最高可使用頻率等參數(shù),在設(shè)計電路時要掌握。與計算機(jī)用CPU不同,單片機(jī)現(xiàn)在所能接收的晶振頻率相對較低,但對于一般控制電路來說足夠了。晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。然而無源晶振分為陶瓷晶振和石英晶振,無源晶振與有源晶振(諧振)的英文名稱不同,無源晶振為crystal(晶體),而有源晶振則叫做oscillator(振蕩器)。無源晶振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號,自身無法振蕩起來,所以“無源晶振”這個說法并不準(zhǔn)確。有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。
   諧振振蕩器包括石英(或其晶體材料)晶體諧振器,陶瓷諧振器,LC諧振器等。晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振振蕩器。石英晶片所以能做振蕩電路(諧振)是基于它的壓電效應(yīng),從物理學(xué)中知道,若在晶片的兩個極板間加一電場,會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在極板間施加機(jī)械力,又會在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場,這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓,就會產(chǎn)生機(jī)械變形振動,同時機(jī)械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說,這種機(jī)械振動的振幅是比較小的,其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(決定于晶片的尺寸)相等時,機(jī)械振動的幅度將急劇增加,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器,其特點是頻率穩(wěn)定度很高。
    石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振,而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC來共同作用來工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中,諧振器工作時一般需要提供3.3V電壓來維持工作。振蕩器比諧振器多了一個重要技術(shù)參數(shù)為:諧振電阻(RR),諧振器沒有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能,也是各商家競爭的一個重要參數(shù)。

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