系統(tǒng)解讀如何根據(jù)相關(guān)參數(shù)選擇合適的晶振

晶振全稱為晶體振蕩器（英文Crystal Oscillators），其作用在于產(chǎn)生原始的時鐘頻率，這個頻率，晶振經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。晶振有著不同使用要求及特點，通分為以下幾類：普通晶振、溫補晶振、壓控晶振、溫控晶振等。

晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。

晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。

晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。

在測試和使用時所供直流電源應(yīng)沒有足以影響其準確度的紋波含量，交流電壓應(yīng)無瞬變過程。測試儀器應(yīng)有足夠的精度，連線合理布置，將測試及外圍電路對晶振指標的影響降至最低。

注意某些參數(shù)，設(shè)計工程師即可選擇到適合應(yīng)用的振蕩器

今天無數(shù)電子線路和應(yīng)用需要精確定時或時鐘基準信號。晶體時鐘振蕩器極為適合這方面的許多應(yīng)用。

時鐘振蕩器有多種封裝，它的特點是電氣性能規(guī)范多種多樣。它有好幾種不同的類型：電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、恒溫箱晶體振蕩器（OCXO），以及數(shù)字補償晶體振蕩器（DCXO）。每種類型都有自己的獨特性能。

頻率穩(wěn)定性的考慮

晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性，它是決定振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價格亦愈高。

設(shè)計工程師要慎密決定對特定應(yīng)用的實際需要，然后規(guī)定振蕩器的穩(wěn)定度。指標過高意味著花錢愈多。

對于頻率穩(wěn)定度要求±20ppm 或以上的應(yīng)用，可使用普通無補償?shù)木w振蕩器。對于成于±1 至±20ppm 的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮TCXO 。對于低于±1ppm 的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮OCXO 或DCXO 。

輸出

必需考慮的其它參數(shù)是輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓穩(wěn)定度、負載穩(wěn)定性、功耗、封裝形式、沖擊和振動、以及電磁干擾（EMI）。晶振器可HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼容、ECL 和正弦波輸出。每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補輸出的要求。對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定。許多DSP

和通信芯片組往往需要嚴格的對稱性（45% 至55%）和快速的上升和下降時間（小于5ns ）。

相位噪聲和抖動

在頻域測量獲得的相位噪聲是短期穩(wěn)定度的真實量度。它可測量到中央頻率的1Hz 之內(nèi)和通常測量到1MHz 。

振蕩器的相位噪聲在遠離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO 和OCXO 振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能。

抖動與相位噪聲相關(guān)，但是它在時域下測量。以微微秒表示的抖動可用有效值或峰—峰值測出。許多應(yīng)用，例如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、ATM 和SONET 要求必需滿足嚴格的拌動指標。需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動和相位噪聲特性。

電源和負載的影響

振蕩器的頻率穩(wěn)定性亦受到振蕩器電源電壓變動以及振蕩器負載變動的影響。正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負載下檢驗振蕩器的性能。不能期望只能額定驅(qū)動15pF 的振蕩器在驅(qū)動50pF 時會有好的表現(xiàn)。在超過建議的電源電壓下工作的振蕩器亦會呈現(xiàn)壞的波形和穩(wěn)定性。

對于需要電池供電的器件，一定要考慮功耗。引入3.3V 的產(chǎn)品必然要開發(fā)在3.3V 下工作的振蕩器。----較低的電壓允許產(chǎn)品在低功率下運行?，F(xiàn)今大部分市售的表面貼裝振蕩器在3.3V 下工作。許多采用傳統(tǒng)5V 器件的穿孔式振蕩器正在重新設(shè)計，以便在3.3V 下工作。

封裝

與其它電子元件相似，時鐘振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝。例如，M-tron 公司的M3L/M5L系列表面貼裝振蕩器現(xiàn)在采用3.2×5.0×1.0mm 的封裝。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。

工作環(huán)境

振蕩器實際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮。例如，高的振動或沖擊水平會給振蕩器帶來問題。

除了可能產(chǎn)生物理損壞，振動或沖擊可在某些頻率下引起錯誤的動作。這些外部感應(yīng)的擾動會產(chǎn)生頻率跳動、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。----對于要求特殊EMI 兼容的應(yīng)用，EMI 是另一個要優(yōu)先考慮的問題。除了采用合適的P C 母板布局技術(shù)，重要的是選擇可提供輻射量最小的時鐘振蕩器。一般來說，具有較慢上升/下降時間的振蕩器呈現(xiàn)較好

的EMI 特性。

對于70MHz 以下的頻率，建議使用HCMOS 型的振蕩器。對于更高的頻率，可采用ECL型的振蕩器。ECL 型振蕩器通常具有最好的總噪聲抑制，甚至在10 至100MHz 的較低頻率下，ECL 型也比其它型的振蕩器略勝一籌。

檢測

對于晶振的檢測,通常僅能用示波器(需要通過電路板給予加電)或頻率計實現(xiàn)。萬用表或其它測試儀等是無法測量的。如果沒有條件或沒有辦法判斷其好壞時，那只能采用代換法了,這也是行之有效的。晶振常見的故障有：(a)內(nèi)部漏電；(b)內(nèi)部開路；(c)變質(zhì)頻偏；(d)與其相連的外圍電容漏電。從這些故障看，使用萬用表的高阻檔和測試儀的VI曲線功能應(yīng)能檢查出(C),(D)項的故障，但這將取決于它的損壞程度。

總結(jié)

器件選型時一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)品的可靠性。選用較高檔的器件可以進一步降低失效概率，帶來潛在的效益，這一點在比較產(chǎn)品價格的時候也要考慮到。要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理，這就需要權(quán)衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應(yīng)、相位噪聲、成本等多方面因素，這里的成本不僅僅包含器件的價格，而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。