控制系統(tǒng)中時序的研究

張澤宇

長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

控制系統(tǒng)中時序的研究

張澤宇

長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033

隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，晶振發(fā)展也成為必然趨勢，將會朝著小型化、低噪聲、高頻化、高精度、高穩(wěn)定性、低功耗、快啟動與低工作電壓的發(fā)展方向進(jìn)行開拓。目前晶振一般工作電壓3.3V，很多產(chǎn)品電流損耗不超過2mA。應(yīng)用的領(lǐng)域也越來廣，主要應(yīng)用在儀器儀表、工控系統(tǒng)、通信等。目前國內(nèi)晶振生產(chǎn)行業(yè)正在擺脫低端產(chǎn)品的制造，向高端產(chǎn)品發(fā)展。

振蕩頻率；脈沖信號；時鐘振蕩器；

目前在國際市場上，各晶振生產(chǎn)企業(yè)正在積極地尋求降低產(chǎn)品成本的原材料，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高端性能和低廉價(jià)格的最優(yōu)化。石英晶體振蕩器的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在通信系統(tǒng)中，發(fā)展很迅速，技術(shù)上更加成熟。石英晶振在民用上主要應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)、無線通訊及高速數(shù)字圖像傳輸?shù)?，在這些領(lǐng)域中，石英晶體振蕩器是其它類型的振蕩器所不能替代的。石英晶體振蕩器在發(fā)展過程中，也面臨像頻率發(fā)生器這類電路的潛在威脅和挑戰(zhàn)。此類振蕩器只有在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，才能延長其壽命周期，在競爭中占有優(yōu)勢。

1 晶振作用

所有的帶有CPU的系統(tǒng)里必須有晶振，晶振的作用是不可取代的，它獨(dú)立或和其他電路一起產(chǎn)生所需要的時鐘頻率，CPU的系統(tǒng)的指令都是依照時鐘頻率來進(jìn)行工作的。晶振產(chǎn)生的頻率越高，CPU的運(yùn)算速度越快。數(shù)字電路都是按節(jié)拍來進(jìn)行處理的而晶振就是提供這個節(jié)拍的，如果沒有了晶振，也就沒有了節(jié)拍，那也就不能處理任何數(shù)據(jù)了。

2 晶振原理

晶振最簡化原理可以等效成阻容網(wǎng)絡(luò)，由兩個電容和一個電阻組成。考慮到可能有的各種干擾成分，將電路人為的加進(jìn)各種保護(hù)電路，一般情況下采用負(fù)反饋電路提高穩(wěn)定性，即使在高低溫狀態(tài)下，其他元器件的參數(shù)有所變化，也可以保證輸出的頻率范圍在一定的范圍內(nèi)。晶振的電路圖如圖1所示。

圖1 晶振的電路圖

3 晶振類別

按照晶振的工作方式不同可將晶振分為無源晶振和有源晶振兩種類型。

3.1 無源晶振

無源晶振自身無法產(chǎn)生振蕩信號，需要借助外圍電路的配合才能輸出時鐘頻率。其對輸入的電壓沒有具體要求，當(dāng)工作時，可根據(jù)外圍輸入的電壓要求輸出不同電壓的時鐘頻率。

無源晶振電路圖如圖2所示。

圖2 無源晶振電路圖

無源晶振其缺點(diǎn)是信號質(zhì)量比較差，需要精確匹配外圍電路，比較繁瑣，更換不同頻率晶振，外圍電路參數(shù)也需要相對調(diào)整。無源晶振工作時，兩腳之間的電壓為0.1～2.5V左右，一般為供電電壓的一半。兩腳的電壓不會一樣，判斷其好壞，可以測量兩腳之間的阻值，應(yīng)該是無窮大。

無源晶振在使用時經(jīng)常會遇到以下兩種情況。

1）不起振：這種情況是最常見的，當(dāng)敲擊上電復(fù)位后不起振的晶振時，晶振又恢復(fù)正常工作，這是欠激勵現(xiàn)象，主要室由于激勵功率不足導(dǎo)致起振時間過長。這時要選用能耗小的晶振，同時減少外界電容，縮短啟動時間。

2）頻率偏差大：這是過度激勵現(xiàn)象，解決方法在芯片相關(guān)腳串接電阻調(diào)整至輸出波形。

3.2 有源晶振

有源晶振可以脫離其它電路，獨(dú)立工作，其內(nèi)部不光有石英晶體，還集成了晶體管、集成電路及阻容元件。石英晶體具有壓電效應(yīng)，當(dāng)在石英晶體的兩極加入一定的電壓后石英晶體會產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形產(chǎn)生了機(jī)械振動，機(jī)械振動會產(chǎn)生交變電電場，盡管變電電場非常微弱，但其頻率是非常穩(wěn)定的。當(dāng)變電電場頻率和石英晶體本身的固有頻率相吻合時，會產(chǎn)生更強(qiáng)烈的機(jī)械振動，機(jī)械振動的幅度會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。

當(dāng)有源晶振應(yīng)用于CPU系統(tǒng)時，其不需要CPU系統(tǒng)的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，而且連接方式簡單。在實(shí)際工作中有源晶振的電源輸入端一般采用電源濾波器，電源濾波器可以有效地濾除電源紋波干擾，增強(qiáng)抗干擾能力；輸出端一般采取電容輸出濾波模式。

有源晶振電路圖如圖3所示。

時鐘信號PCB板布線走線時盡量使它的長度短而寬，和其它PCB板的印制線間距盡量遠(yuǎn)一些，盡量緊靠器件布線，有時可能需要走內(nèi)層，還可能需要用地線包圍，避免對時鐘信號造成干擾。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了在晶振使用方法以及問題的闡述，讓我們更加了解晶振的重要性。從實(shí)際使用效果來看，當(dāng)需要輸出固定電壓的振動頻率信號時，有源晶振的效果好于無源晶振。

TN2

A

1674-6708（2015）148-0027-01

張澤宇，研究方向：電子儀器