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(shí)鐘頻率，這個(gè)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(diǎn)，通分為以下幾類：普通晶振、溫補(bǔ)晶振、壓控晶振、溫控晶振等。

晶振用一種能把電能和機(jī)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(duì)精度可達(dá)百萬分之五十。高級(jí)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(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)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(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。

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

注意某些參數(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)或時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)。晶體時(shí)鐘振蕩器極為適合這方面的許多應(yīng)用。

時(shí)鐘振蕩器有多種封裝，它的特點(diǎn)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(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）、恒溫箱晶體振蕩器（OCXO），以及數(shù)字補(bǔ)償晶體振蕩器（DCXO）。每種類型都有自己的獨(dú)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(jià)格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬，器件的價(jià)格亦愈高。

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

對(duì)于頻率穩(wěn)定度要求±20ppm 或以上的應(yīng)用，可使用普通無補(bǔ)償?shù)木w振蕩器。對(duì)于成于±1 至±20ppm 的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮TCXO 。對(duì)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(dòng)、電壓穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定性、功耗、封裝形式、沖擊和振動(dòng)、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(dú)特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補(bǔ)輸出的要求。對(duì)稱性、上升和下降時(shí)間以及邏輯電平對(duì)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(yán)格的對(duì)稱性（45% 至55%）和快速的上升和下降時(shí)間（小于5ns ）。

相位噪聲和抖動(dòng)

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

振蕩器的相位噪聲在遠(yuǎn)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(dòng)與相位噪聲相關(guān)，但是它在時(shí)域下測(cè)量。以微微秒表示的抖動(dòng)可用有效值或峰—峰值測(cè)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(yán)格的拌動(dòng)指標(biāo)。需要密切注意在這些系統(tǒng)中應(yīng)用的振蕩器的抖動(dòng)和相位噪聲特性。[!--empirenews.page--]

電源和負(fù)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(dòng)以及振蕩器負(fù)載變動(dòng)的影響。正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計(jì)者應(yīng)在建議的電源電壓容差和負(fù)載下檢驗(yàn)振蕩器的性能。不能期望只能額定驅(qū)動(dòng)15pF 的振蕩器在驅(qū)動(dòng)50pF 時(shí)會(huì)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(huì)呈現(xiàn)壞的波形和穩(wěn)定性。

對(duì)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(yùn)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(jì)，以便在3.3V 下工作。

封裝

與其它電子元件相似，時(shí)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(shí)際應(yīng)用的環(huán)境需要慎重考慮。例如，高的振動(dòng)或沖擊水平會(huì)給振蕩器帶來問題。

除了可能產(chǎn)生物理損壞，振動(dòng)或沖擊可在某些頻率下引起錯(cuò)誤的動(dòng)作。這些外部感應(yīng)的擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻率跳動(dòng)、增加噪聲份量以及間歇性振蕩器失效。----對(duì)于要求特殊EMI 兼容的應(yīng)用，EMI 是另一個(gè)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(shí)鐘振蕩器。一般來說，具有較慢上升/下降時(shí)間的振蕩器呈現(xiàn)較好

的EMI 特性。

對(duì)于70MHz 以下的頻率，建議使用HCMOS 型的振蕩器。對(duì)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(cè)

對(duì)于晶振的檢測(cè),通常僅能用示波器(需要通過電路板給予加電)或頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)。萬用表或其它測(cè)試儀等是無法測(cè)量的。如果沒有條件或沒有辦法判斷其好壞時(shí)，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(cè)試儀的VI曲線功能應(yīng)能檢查出(C),(D)項(xiàng)的故障，但這將取決于它的損壞程度。

總結(jié)

器件選型時(shí)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(jìn)一步降低失效概率，帶來潛在的效益，這一點(diǎn)在比較產(chǎn)品價(jià)格的時(shí)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(jià)格，而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。