时钟振荡器原理与作用

振荡器就像电子系统中的电源一样无处不在，有人认为它们的重要性等同于电源，在任何需要时序信号的东西中都能发现它们的应用，从数字手表到电视和PC。

振荡器就是可以产生一定频率的交变电流信号的电路。是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路。

振荡器简单地说就是一个频率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化，这样的装置就可以称为“振荡器”。

时钟振荡器的基本概念

时钟振荡器是利用了晶体的压电效应制造的，当在晶片的两面上加交变电压时，晶片会反复的机械变形而产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。

晶体振荡器，以下简称晶振，是利用了晶体的压电效应制造的，当在晶片的两面上加交变电压时，晶片会反复的机械变形而产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，产生共振，这种现象称为压电谐振。晶振产生振荡必须附加外部时钟电路，一般是一个放大反馈电路，只有一片晶振是不能实现震荡的。

于是就有了时钟振荡器，将外部时钟电路跟晶振放在同一个封装里面，一般都有4个引脚了，两条电源线为里面的时钟电路提供电源，又叫做有源晶振，时钟振荡器，或简称钟振。好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面，让振荡频率能更加准确。晶振振荡器的等效电路也可以认为是一个LCR振荡电路。

时钟振荡器的作用是什么?

时钟振荡电路中精确地确定振荡频率，它与所属电路系统中的主芯片内部的振荡电路配合，共同组成“石英晶体谐振器”(简称“晶振”)，产生主板上各个系统所必需的时钟信号。工作时，首先由主芯片内部的“多谐振荡器”产生一个频谱很宽的振荡，这个包含有多种“谐频”的振荡信号从主芯片输出后，直接加到晶体的两端，通过晶体的“精确选频”作用，确定一个所需要的时钟频率之后，再反馈回芯片内部去控制“多谐振荡器”的振荡频率。这样，整个时钟发生器就在晶体选定的频率上工作，产生一个频率稳定、幅度恒定的时钟脉冲，提供给主芯片内部的各个系统，使这些结构不同、功能各异的电路在“时钟”的控制下，按照统一的“节奏”、数据传输速率( bit/s)以及规定的“时序”(时间顺序)相互配合、互相协调地工作，从而完成这个单元电路系统中的主芯片所担负的功能。

简单的说时钟电路就是一个振荡器，给单片机提供一个节拍，单片机执行各种操作必须在这个节拍的控制下才能进行。因此单片机没有时钟电路是不会正常工作的。时钟电路本身是不会控制什么东西，而是你通过程序让单片机根据时钟来做相应的工作。

几乎所有的数字系统在处理信号都是按节拍一步一步地进行的，系统各部分也是按节拍做的，要使电路的各部分统一节拍就需要一个“时钟信号”，产生这个时钟信号的电路就是时钟电路。

时钟电路的核心是个比较稳定的振荡器(一般都用晶体振荡器)，振荡器产生的是正弦波，频率不一定是电路工作的时钟频率，所以要把这正弦波进行分频，处理，形成时钟脉冲，然后分配到需要的地方。让系统里各部分工作时使用。

时钟振荡器的原理

主要有由电容器和电感器组成的LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器，很多应用石英晶体的石英晶体振荡器，还有用集成运放组成的LC振荡器。

由于器件不可能参数完全一致，因此在上电的瞬间两个三极管的状态就发生了变化，这个变化由于正反馈的作用越来越强烈，导致到达一个暂稳态。暂稳态期间另一个三极管经电容逐步充电后导通或者截止，状态发生翻转，到达另一个暂稳态。这样周而复始形成振荡。

51单片机与时钟电路

在MCS-51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式，如图1所示。

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在内部方式时钟电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间。对于外接时钟电路，要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，时钟频率低于12MHz即可。

晶体振荡器的振荡信号从XTAL2端送入内部时钟电路，它将该振荡信号二分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。时钟信号的周期称为状态时间S，它是振荡周期的2倍，P1信号在每个状态的前半周期有效，在每个状态的后半周期P2信号有效。CPU就是以两相时钟P1和P2为基本节拍协调单片机各部分有效工作的。

典型应用电路图

在数字电路中常常需要用精确的秒脉冲信号来对检测的信号进行采样取值。实际中多采用高频振荡器产生高频信号，然后经多级分频电路得到。这里介绍一种利用高频石英钟集成电路SM5511产生精确的秒脉冲的电路。

工作原理：电路如图所示。IC1通电后，在其3脚与5脚分别产生正的与负的窄幅脉冲信号。两路脉冲信号经高速运算放大器IC2比较放大后合并成周期为1秒的窄幅脉冲信号，经IC3 D型触发器后变成周期为2秒，占空比为1的秒脉冲信号。

调节微调电容C1可以改变石英谐振器SJT的振荡频率。配合高精度的高频计数器调节电容C1便可以得到精确的秒脉冲信号。

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精确的秒脉冲信号产生器电路图

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精确的基准时钟振荡电路：冲信号产生器

如图所示，由555和R1、R2、C1组成可控的多谐振荡器，它的振荡频率除与RC时间常数有关外，还可由控制端的直流电平来调节。而该直流电平由基准频率f。和555输出的振荡波频率fo=Nfn共同锁定的RS触发器输出的方波，经低通滤波后产生。CD4001的两个或非门电路组成RS触发器，RS触发器在锁定情况下，输出的占空比不变，因而滤波后的直流电平不变。若555的振荡频率f0向高漂移(或fn下降)，则占空比加大，直流控制电平会相应增加，会使频率下降;反之亦然。

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时钟同步的振荡器电路

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可编程的时钟振荡器电路图

石英晶体矩形波振荡器电路主要用于比较新颖的数字系统的时钟脉冲发生器。该电路的石英晶体处于谐振状态时传输量最大，这时便按晶体的谐振荡率振荡。由于LM111的高输出阻抗与C2的隔离作用，使得石英晶体的负载非常轻。振荡频率的稳定度极高。该电路右获得100KHz的矩形波输出。

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石英晶体矩形波振荡器电路图

时钟振荡器的参数

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。那么我们改如何现在合适的时钟振荡器?

---- 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 OC XO 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&TImes;5.0&TImes;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。