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如何根据相关参数选择合适的晶振

编辑:宁波钜大电子有限公司  字号:
摘要:如何根据相关参数选择合适的晶振
晶振全称为晶体振荡器(英文Crystal Oscillators),其作用在于产生原始的时钟频率,这个频率,晶振经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。晶振有着不同使用要求及特点,通分为以下几类:普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为 压控振荡器(VCO)。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量,交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度,连线合理布置,将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。

注意某些参数,设计工程师即可选择到适合应用的振荡器。

今天无数电子线路和应用需要精确定时或时钟基准信号。晶体时钟振荡器极为适合这方面的许多应用。

时钟振荡器有多种封装,它的特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型:电压控制晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、恒温箱晶体振荡器(OCXO),以及数字补偿晶体振荡器(DCXO)。每种类型都有自己的独特性能。

频率稳定性的考虑

晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性,它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽,器件的价格亦愈高。

设计工程师要慎密决定对特定应用的实际需要,然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。

对于频率稳定度要求±20ppm 或以上的应用,可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于成于±1至±20ppm 的稳定度,应该考虑TCXO。对于低于±1ppm 的稳定度,应该考虑OCXO 或DCXO。

输出

必需考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压稳定度、负载稳定性、功耗、封装形式、冲击和振动、以及电磁干扰(EMI)。晶振器可HCMOS/TTL 兼容、ACMOS 兼容、ECL 和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP

和通信芯片组往往需要严格的对称性(45%至55%)和快速的上升和下降时间(小于5ns)。

相位噪声和抖动

在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中央频率的1Hz 之内和通常测量到1MHz。

振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO 和OCXO 振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。

抖动与相位噪声相关,但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用,例如通信网络、无线数据传输、ATM 和SONET 要求必需满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。

电源和负载的影响

振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF 的振荡器在驱动50pF 时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现坏的波形和稳定性。

对于需要电池供电的器件,一定要考虑功耗。引入3.3V 的产品必然要开发在3.3V 下工作的振荡器。----较低的电压允许产品在低功率下运行。现今大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V 下工作。许多采用传统5V 器件的穿孔式振荡器正在重新设计,以便在3.3V 下工作。

封装

与其它电子元件相似,时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。例如,M-tron 公司的M3L/M5L系列表面贴装振荡器现在采用3.2×5.0×1.0mm 的封装。通常,较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。

工作环境

振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如,高的振动或冲击水平会给振荡器带来问题。

除了可能产生物理损坏,振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。----对于要求特殊EMI 兼容的应用,EMI 是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的P C 母板布局技术,重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说,具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI 特性。

对于70MHz 以下的频率,建议使用HCMOS 型的振荡器。对于更高的频率,可采用ECL型的振荡器。ECL 型振荡器通常具有最好的总噪声抑制,甚至在10至100MHz 的较低频率下,ECL 型也比其它型的振荡器略胜一筹。

检测

对于晶振的检测,通常仅能用示波器(需要通过电路板给予加电)或频率计实现。万用表或其它测试仪等是无法测量的。如果没有条件或没有办法判断其好坏时,那只能采用代换法了,这也是行之有效的。晶振常见的故障有:(a)内部漏电;(b)内部开路;(c)变质频偏;(d)与其相连的外围电容漏电。从这些故障看,使用万用表的高阻档和测试仪的VI曲线功能应能检查出(C),(D)项的故障,但这将取决于它的损坏程度。

总结

器件选型时一般都要留出一些余量,以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率,带来潜在的效益,这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理,这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素,这里的成本不仅仅包含器件的价格,而且包含产品全寿命的使用成本。
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