控制系統中時序的研究

張澤宇

長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

控制系統中時序的研究

張澤宇

長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033

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

振蕩頻率；脈沖信號；時鐘振蕩器；

目前在國際市場上，各晶振生產企業正在積極地尋求降低產品成本的原材料，以實現產品的高端性能和低廉價格的最優化。石英晶體振蕩器的應用日益廣泛，尤其是在通信系統中，發展很迅速，技術上更加成熟。石英晶振在民用上主要應用于光纖網絡、無線通訊及高速數字圖像傳輸等，在這些領域中，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展過程中，也面臨像頻率發生器這類電路的潛在威脅和挑戰。此類振蕩器只有在技術上不斷創新，才能延長其壽命周期，在競爭中占有優勢。

1 晶振作用

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

2 晶振原理

晶振最簡化原理可以等效成阻容網絡，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，將電路人為的加進各種保護電路，一般情況下采用負反饋電路提高穩定性，即使在高低溫狀態下，其他元器件的參數有所變化，也可以保證輸出的頻率范圍在一定的范圍內。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，當工作時，可根據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

無源晶振其缺點是信號質量比較差，需要精確匹配外圍電路，比較繁瑣，更換不同頻率晶振，外圍電路參數也需要相對調整。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，應該是無窮大。

無源晶振在使用時經常會遇到以下兩種情況。

1）不起振：這種情況是最常見的，當敲擊上電復位后不起振的晶振時，晶振又恢復正常工作，這是欠激勵現象，主要室由于激勵功率不足導致起振時間過長。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：這是過度激勵現象，解決方法在芯片相關腳串接電阻調整至輸出波形。

3.2 有源晶振

有源晶振可以脫離其它電路，獨立工作，其內部不光有石英晶體，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，當在石英晶體的兩極加入一定的電壓后石英晶體會產生機械變形，機械變形產生了機械振動，機械振動會產生交變電電場，盡管變電電場非常微弱，但其頻率是非常穩定的。當變電電場頻率和石英晶體本身的固有頻率相吻合時，會產生更強烈的機械振動，機械振動的幅度會急劇增加，這種現象稱為“壓電諧振”。

當有源晶振應用于CPU系統時，其不需要CPU系統的內部振蕩器，信號質量穩定，抗干擾能力強，而且連接方式簡單。在實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一些，盡量緊靠器件布線，有時可能需要走內層，還可能需要用地線包圍，避免對時鐘信號造成干擾。

4 結論

本文詳細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。從實際使用效果來看，當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