石英晶体振荡器怎样使用?
当晶体振荡时。机械振 动的惯性可用电感L來等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C來等效,C的值很小,一般只有0. 0002-0.1pF.晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数假约为100。
好的,石英晶体振荡器的使用取决于具体的形式。主要有两种常见类型:
- 晶体谐振器: 就是单独的石英晶体元件(通常简称“晶振”、“晶振片”),它内部只有一片石英晶体,不能自己振荡,需要外接振荡电路才能产生振荡信号。
- 晶体振荡器: 是将石英晶体谐振器、振荡电路以及输出缓冲电路等集成在一个封装里的完整模块(通常简称“有源晶振”、“XO”)。这种模块只需提供电源,就能输出特定频率和电平的方波或正弦波信号。
下面分别介绍它们的使用方法:
一、 晶体谐振器的使用方法(最常用)
- 理解原理: 晶体谐振器就像一块非常精密的“音叉”,当给它施加一个电信号(通过振荡电路)时,它会在其特定的串联谐振频率附近产生机械振动,这个振动又会转换为电信号反馈回电路,形成稳定的自持振荡。
- 核心:振荡电路: 使用晶体谐振器最关键的是设计或选择与之匹配的皮尔斯振荡器(最常见的类型)。这种电路通常集成在MCU、DSP、FPGA、时钟芯片等器件的内部,你只需要将晶体正确地连接到芯片的特定管脚。
- 电路连接(以MCU的皮尔斯振荡器为例):
- 晶体引脚: 晶体通常有两个端子。它没有方向性。
- MCU管脚: 看芯片手册!一般会指定两个管脚:OSC_IN / XTAL_IN (振荡器输入端) 和 OSC_OUT / XTAL_OUT (振荡器输出端)。
- 连接方式:
- 将晶体的一端连接到 OSC_IN 管脚。
- 将晶体的另一端连接到 OSC_OUT 管脚。
- 负载电容匹配(至关重要!):
- 为了获得稳定且精确的频率,必须在晶体谐振器的两端(连接到OSC_IN和OSC_OUT的线上)各并联一个接地电容(通常标记为
C1和C2)! - 负载电容值
CL是晶体谐振器的一个关键参数(通常在数据手册上标明,如 12pF, 18pF, 20pF)。 - 公式:
C1和C2的值要(通常相等)选择得使CL = (C1 * C2) / (C1 + C2) + Cstray等于 晶体要求的负载电容值。Cstray是估算的PCB走线杂散电容,通常取值 3pF - 8pF。- 若晶体指定
CL = 18pF,Cstray ≈ 5pF,则(C1 * C2)/(C1 + C2) = CL - Cstray = 13pF。选择C1 = C2 = 27pF(因为27pF // 27pF = 13.5pF ≈ 13pF)。C1和C2的具体值需要根据晶体要求的CL和估算的Cstray计算。
- 匹配错误后果: 不匹配会导致频率偏移过大、无法起振、振荡不稳定等问题。
- 为了获得稳定且精确的频率,必须在晶体谐振器的两端(连接到OSC_IN和OSC_OUT的线上)各并联一个接地电容(通常标记为
- 串联电阻(可选):
- 有时会在晶体的输出端(连接到OSC_IN的脚) 串联一个小电阻(
R1,典型值几十到几百欧姆)。它的作用主要是:- 降低振荡幅度: 防止晶体被过度驱动(这会导致老化加速或损坏)。
- 改善稳定性: 帮助振荡器更快进入稳定状态或在恶劣条件下保持稳定。
- 是否需要以及阻值多大,请参考芯片手册和晶体手册的建议。
- 有时会在晶体的输出端(连接到OSC_IN的脚) 串联一个小电阻(
- 布局要点:
- 短而直接的走线: 将晶体和其负载电容
C1,C2放置在非常靠近芯片振荡器输入/输出管脚的位置。走线尽量短、粗(或参考地平面),避免过孔。 - 良好接地:
C1和C2的地端应通过短而宽的走线连接到干净的接地平面。 - 远离干扰源: 远离电源线、开关信号线、射频模块等高频大电流干扰源。
- 避免下方走线: 尽量不在晶体下方布置信号线(特别是高速线)。
- 外壳接地: 如果晶体有金属外壳,并且厂商说明需要接地,则将其连接到系统地上。
- 短而直接的走线: 将晶体和其负载电容
二、 晶体振荡器的使用方法(更简单)
- 理解原理: 这是一个完整的黑盒子模块,只需供电,就能直接输出稳定频率的时钟信号(通常是方波)。
- 引脚识别(通常4脚封装最常见):
- GND: 接地。
- VCC / VDD: 电源输入。务必检查工作电压范围!(常见 1.8V, 2.5V, 3.3V, 5V)。绝不能超压!
- OUT / Clock Output: 时钟信号输出。
- NC / OE / OE#:
- NC (No Connection): 悬空,不用管。
- OE / OE# (Output Enable): 输出使能端。高电平或低电平(看符号#表示低有效)开启输出。不需要控制时,按手册说明处理(通常拉高或拉低固定电平)。
- TCXO引脚: 温度补偿晶振可能有额外的温度补偿电路控制引脚(如VC),按手册连接。
- 基本连接:
- 将 GND 连接到系统接地平面。
- 将 VCC 连接到适当、干净稳定的直流电源(同其标称电压)。强烈建议在靠近模块的VCC引脚处放置一个0.1uF (或104)的陶瓷旁路电容,并视情况再加一个10uF等钽/电解电容进一步稳压滤波。
- 将 OUT 连接到目标器件(如MCU, FPGA的时钟输入管脚)。
- 按手册处理 NC/OE等脚。
- 电平匹配:
- 确认振荡器的输出电平格式(如 CMOS, LVCMOS, LVDS, HCSL等)是否兼容目标输入管脚的要求(如输入阈值、最大电压)。常见的CMOS电平(如3.3V CMOS)是最通用的。
- 布局要点:
- 靠近供电端: 尽量减少电源和地线的回路距离。
- 旁路电容靠近VCC和GND: 0.1uF陶瓷电容必须靠近振荡器的VCC和GND引脚放置,地回路要短。
- 输出线避免过长: 输出时钟信号线尽量短,尤其是高速时钟(如 > 50MHz)。如有必要,在目标端进行阻抗匹配(如串联一个33欧姆电阻)。
关键使用要点总结(通用)
- 看数据手册: 无论是晶体谐振器还是晶体振荡器,务必仔细阅读其官方数据手册。所有关键参数(频率、负载电容、精度、工作电压、电流消耗、输出电平等)和推荐连接方法都在里面。
- 匹配负载电容(仅对晶体谐振器): 这是成功使用独立晶体的核心。计算和选择正确的
C1、C2并考虑Cstray。 - 电源清洁度: 对晶体振荡器尤其重要。好的电源旁路电容(特别是那个0.1uF电容)和稳定的电压供应是保证性能的关键。注意功耗(尤其是恒温晶振)。
- 精准布局: 远离干扰源、紧凑布局、短接地回路对保证信号纯净、避免辐射和保证起振/稳定性至关重要。接地一定要好。
- 防静电: 石英晶体怕静电,拿取和焊接时要防静电(ESD)。
- 测试: 电路完成后,用示波器观察时钟信号是否稳定、频率是否准确、波形是否干净无过冲/振铃/毛刺。示波器探头容量也会影响测量(特别是独立晶体的振荡电路节点),建议使用10X探头并尽量用探头接地弹簧而非长接地夹。
通过遵循以上原则和仔细参考数据手册,你就可以正确有效地使用石英晶体振荡器了。如果你有具体型号,最好能参考其官方Datasheet进行精确设计。
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