晶体振荡器如何让数字电子装置同步化

大多数您所设计或使用的电子系统，都具有一或多个振荡器来提供频率以进行同步运作，作为频率参考或实现准确的定时。本文将讨论石英晶体振荡器的优点，以及一些可用的选择。

在以微处理器为基础的系统中，存在着数种不同的频率讯号，用于执行指令、将数据移入和移出内存，以及外部通讯接口。
 
一个简单的嵌入式控制器可能拥有几 MHz 的时钟频率，而个人计算机中的微处理器通常预期会有 15 MHz 的输入频率。这将在内部倍数增加，以提供 CPU 和其他子系统的频率。系统中的其他组件可能都各有自己的频率要求。例如，以太网络控制器需要 25 MHz 的频率，或实时频率 (RTC) 需要 32.768 kHz。
 
射频 (RF) 系统需要准确的频率参考，以实现端对端通讯并可过滤不需要的讯号和噪声。
 
关键振荡器特性

除了提供指定频率的基本需求外，依据您的产品应用，振荡器可能还必须满足其他需求。
 
例如，许多产品应用需要极为精确定义的频率。对于需要透过序列或无线接口与其他装置进行通讯的系统而言，这尤其重要。准确度通常以百万分之一 (ppm) 为单位进行测量。
 
针对手持或电池供电的设备而言，拥有低功耗是十分重要的。对 RTC 来说尤其如此，因为即使在低功耗或待机模式下，电路的此一部分也将始终处于有效状态。
 
最后，您可能需要考虑例如操作环境、成本和外形尺寸等各种因素。
 
完美谐振

任何振荡器都使用某种谐振或微调电路，搭配放大和回馈来产生特定频率输出。
 
微调电路可以电阻电容 (RC) 或电感电容 (LC) 网络为基础。这些装置较为简单，且能在宽广的范围内变更频率。不过，设计一个准确的 RC 或 LC 振荡器，需要使用昂贵的精确组件。即便如此，它们也无法满足许多产品应用所要求的最高准确度和稳定性。
 
晶体 (通常为石英) 也可以作为谐振组件。将晶体切割为两个平行的晶面，并在其上沉积金属接点。石英具有压电效应，代表将该晶体置于压力下时，其晶面会产生电压。相反地，在晶体上施加电压时，晶体亦会改变形状。
 
这种回馈会使晶体以其自然谐振频率进行振荡。这将由晶体的尺寸及其切割方式决定。最常见的裁切方式称为 AT。这可以用于很广泛的频率范围，并具有良好的热稳定性。
 
晶体谐振器具备很高的质量 (Q) 因子，这代表频率是精确定义且非常稳定，因此晶体可用作低成本、高准确度振荡器的基础。

图1 晶体结构及等效电路

晶体谐振器结构和等效电路如图 1 所示。值 Cp 代表两个平行电极的电容。组件 Ls、Rs 和 Cs 代表晶体的机械属性 (质量、内摩擦和弹性)。
 
等效电路表示存在两种可能的谐振频率：一种是由于 Ls 和 Cs 串联所引起，另一种则是由于 Cp 与电感并联所引起。
 
串联谐振定义算式：
 

 
并联谐振频率算式：
 

 
这两个频率之间的距离通常小于 1%，且振荡器电路
定义使用哪种谐振模式。大多数振荡器使用并联模式。
 
对于约 75 MHz 以上的高频率而言，晶体可以基础频率或泛音的倍数进行振荡。
 
振荡器电路

振荡器电路通常会整合到需要频率讯号的装置内。例如，许多微控制器和类似装置都有两个接脚，您可以在上面简单地连接一个晶体和一对陶瓷电容器来完成电路。

 图2 振荡器组件和杂散电容

电路的总负载电容 (CL) 需要与晶体的指定 CL 相符。这是由陶瓷电容器加上晶体封装、振荡器输入接脚和电路板线路的任何杂散电容组成。
 
要准确计算电路中的所有杂散电容和寄生电容并不容易，因此您可以先进行预估 (通常在 4 至 6 pF 左右)，然后测量输出频率，以查看是否需要调整电容器的值。
 
如果总 CL 大于指定 CL，将会降低振荡频率。如果 CL 太低，则频率将更高。
 
如果 CL 的高低过于悬殊，则振荡器可能根本无法启动。

图3 振荡器电路

您也可以使用晶体管或反向逻辑闸极作为回馈放大器，以建构外部振荡器电路，如图 3 所示。但是，即使大多数晶体厂商都会提供设计指南，但设计高质量振荡器仍具有挑战性；因此，购买现成的振荡器模块可能更为简单。振荡器模块含一个晶体，以及包括负载电容器等所有需要的组件。这可以保证您以合理的价格获得高效能振荡器。您只需提供适合的电源供应器即可。

图4 晶体振荡器模块

对于以太网络接口或无线通信系统等要求准确和稳定频率的产品应用，晶体振荡器模块是不错的选择。
 
主题的变化

由于频率会随外部 CL 变化，使得建构能在很小范围内调节输出的晶体振荡器成为可能。例如，这在接收器需要调整自己的频率以符合接收讯号的 RF 应用中非常实用。
 
电压控制晶体振荡器 (VCXO) 使用称为变容器 (或变容二极管) 的装置作为负载电容器。变容器的电容会随施加的控制电压而变化，进而改变振荡频率。
 
VCXO 的关键参数为「牵引率」，控制电压范围和频率抖动。
 
• 牵引率定义给定控制电压变化时的频率变化。较大的值表示振荡器可以在较大的范围内运作，但是较小的值表示较佳的稳定性和较低的相位噪声。最大调整范围通常约为 +/-200 ppm。
 
• 控制电压通常为 0 V 至 2 或 3V。
 
• 频率抖动会高于固定频率振荡器，尤其是在限制状态运作时调整范围的极端情况下。
 
如果您在操作温度范围内要求的稳定性，比普通晶体振荡器所能提供的更大，则可能需要使用温度补偿晶体振荡器 (TCXO)。这些也可以作为具有广泛参数的现成模块来提供。
 
TCXO 包含一个测量环境温度，然后产生控制电压以调整 VCXO 频率的电路，以补偿温度变化所产生的影响。TCXO 会根据晶体的温度频率响应曲线计算所需的控制电压。
 
TCXO 模块通常也包括自己的稳压器，因此振荡器不会受外部供应电压变化的影响。
 
结论

石英晶体提供高度准确、稳定且低成本的频率参考。
 
晶体和晶体振荡器具有广泛的参数和实作方式，以满足您的产品应用需求。
 
许多装置都整合振荡器电路，使设计过程变得非常简单。
 
作为替代方案，特别是如果需要更高质量的频率时，便可以使用晶体振荡器模块。与整合式振荡器相比，它们通常具有更高的准确度和稳定性。模块也可提供电压控制频率或温度补偿。