【導(dǎo)讀】如今大多數(shù)電子產(chǎn)品都有振蕩器，關(guān)于晶體振蕩器，其英文名稱為quartz crystal oscillator，也就是我們經(jīng)常說的晶振，它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執(zhí)行指令所必須的時鐘頻率信號，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，時鐘信號頻率越高，通常CPU的運行速度也就越快。
如今大多數(shù)電子產(chǎn)品都有振蕩器，關(guān)于晶體振蕩器，其英文名稱為quartz crystal oscillator，也就是我們經(jīng)常說的晶振，它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執(zhí)行指令所必須的時鐘頻率信號，CPU一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，時鐘信號頻率越高，通常CPU的運行速度也就越快。不論是數(shù)字電路還是射頻信號，它已經(jīng)是一個不可或缺的器件，一些模擬電路還需要時鐘或振蕩信號源。如果您使用的是微控制器，那么它可能有一個內(nèi)置的時鐘，其精確程度取決于您的應(yīng)用程序，所以您可能需要使用外部晶體或時鐘模塊，而不是能夠使用內(nèi)部時鐘。
晶體振蕩器的作用是能夠為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)時鐘信號。在一個系統(tǒng)當(dāng)中，所有元件均使用同一個晶體振蕩器，以方便保持各部同步。在一部分的通訊系統(tǒng)當(dāng)中，基頻和射頻會使用不同的晶體振蕩器，這時則會通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
它們的類型現(xiàn)在多種多樣，適用于各種領(lǐng)域：
數(shù)字振蕩器
數(shù)字振蕩器的電路實際上是一個模擬振蕩器。有些振蕩器會產(chǎn)生“削峰正弦波”輸出，因此很難決定把它們放在數(shù)字振蕩器還是模擬振蕩器。數(shù)字振蕩器比簡單地產(chǎn)生一個時鐘信號要復(fù)雜得多，它可以產(chǎn)生幾個相移確定的信號，或者包含一個頻率合成器，從一個固定頻率輸入時鐘產(chǎn)生一個或多個替代頻率。以IDT的時鐘發(fā)生器芯片為例。
最早的“數(shù)字”振蕩器是1923年George W. Pierce發(fā)明的皮爾斯振蕩器。
在很長一段時間里它被用做微處理器時鐘生成。當(dāng)你有一個微控制器，需要一個晶體和兩個外部電容來產(chǎn)生它自己的時鐘時，你可以用一個內(nèi)部的逆變器和電阻做一個皮爾斯振蕩器。
選擇振蕩器模塊或時鐘生成器意味著您需要了解可用的選擇，并指定您的需求。
輸出定義
輸出可以是方波或截斷正弦波(對于數(shù)字系統(tǒng)很少是真正的正弦波)。你需要知道所需的電壓級別，例如5V TTL或CMOS級別，3.3V或更低的CMOS級別。一些振蕩器有低壓差分信號輸出(LVDS)。對稱也很重要，所以高相位和低相位要相等。此外，還要考慮的其它參數(shù)，如輸出類型、相位噪聲、抖動、電壓特性、負(fù)載特性、功耗、封裝形式,對于工業(yè)產(chǎn)品,有時還要考慮沖擊和振動、以及電磁干擾。
精度和穩(wěn)定性
此外，您需要知道準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，用陶瓷諧振器，初始公差在0.2%左右，有時候會比這個差。雖然0.2%聽起來不算太糟，但它是2000ppm(百萬分之一)。石英晶體振蕩器將比這好10倍。同樣，石英振蕩器比陶瓷諧振器具有更好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性可以定義為溫度、負(fù)載或供應(yīng)的穩(wěn)定性-所有這些都會影響頻率。
TCXO（溫控振蕩器）是一種溫度補償晶體振蕩器或溫度控制晶體振蕩器(單詞Crystal通常縮寫為Xtal所以X被用作“Crystal”的縮寫)。它們的耐受性和穩(wěn)定性大于1ppm。這種準(zhǔn)確性對于頻率要求非常精確的射頻系統(tǒng)非常重要。高精度TCXO，主要用于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)了與OCXO同等的頻率精度。其中在精密TCXO的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達(dá)20 以上，目前的主流產(chǎn)品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27。
TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：
（1）直接補償型 直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體諧振器振子串聯(lián)而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節(jié)省印制電路板（PCB）尺寸和空間，適用于小型和低壓小電流場合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時，直接補償方式并不適宜。
（2）間接補償型 間接補償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度－電壓變換電路，并將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變?nèi)荻O管上，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進(jìn)行補償。該補償方式能實現(xiàn)±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。
VCXO (壓控晶體振蕩器)是一種電壓控制的晶體振蕩器，具有很高的穩(wěn)定性。其振蕩頻率由晶體決定，但可用控制電壓在小范圍內(nèi)對頻率進(jìn)行調(diào)整，控制電壓范圍一般為0V至2V或0V至3V，VCXO的調(diào)諧范圍為±100ppm至±200ppm。VCXO時鐘(CLK)發(fā)生器已在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如數(shù)字電視，數(shù)字音頻，ADSL和STB。
OCXO 恒溫控制晶體振蕩器。這些振蕩器在烘箱或雙烘箱中，電路和晶體被加熱到恒定溫度。一旦預(yù)熱，它們就非常精確和穩(wěn)定。由于需要加熱器，它們確實需要相當(dāng)多的電力。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，而將振蕩電路置于外部的恒溫槽中進(jìn)行溫度補償，實行雙重恒溫槽控制法。利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導(dǎo)航、頻率計數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備、儀表中。
VCXO（電壓控制式晶體振蕩器）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級,頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。VCXO廣泛應(yīng)用于軍用電子儀器，5G基建，無線通信信號塔，精密儀表，智能監(jiān)控等。
晶體振蕩器的主要特性之一是工作溫度內(nèi)的穩(wěn)定性,它是決定振蕩器價格的重要因素。穩(wěn)定性愈高或溫度范圍愈寬,器件的價格亦愈高。此外，晶體老化也是造成頻率變化的又一重要因素。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的預(yù)期壽命不同,有多種方法可以減弱這種影響。晶體老化會使輸出頻率按照對數(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說在產(chǎn)品使用的第一年,這種現(xiàn)象才最為顯著。例如,使用10年以上的晶體,其老化速度大約是第一年的3倍。采用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況,也可以采用調(diào)節(jié)的辦法解決,比如,可以在控制引腳上施加電壓（即增加電壓控制功能）等。
模擬振蕩器
對于一個模擬振蕩器，你更有可能尋找一個正弦波。在晶體管出現(xiàn)之前就有各種各樣的“標(biāo)準(zhǔn)”模擬振蕩器設(shè)計。比如Hartley, Colpitts和Clapp。它們已被用作正弦波振蕩器，使用電感和電容作為頻率決定元件，也與石英晶體一起使用。當(dāng)與電感/電容一起使用時，它們也可以用作可變頻率振蕩器。其他的振蕩器，如維恩電橋（Wien bridge），使用電阻和電容來確定頻率，但通常被限制在比電感/電容或晶體振蕩器更低的頻率。
例如，這是一個10MHz Clapp振蕩器，其輸出來自晶體管Q1。
對于所有的振子，它們需要時間來啟動。對于晶體振蕩器等高Q振蕩器，這是相當(dāng)重要的，因為啟動時間(以時鐘周期數(shù)衡量)與電路的Q成比例。這可能導(dǎo)致在任何事情似乎發(fā)生之前會有一定延遲，也可能導(dǎo)致最初的頻率不正確。例如，啟動一個50MHz LC振蕩器需要大約800個時鐘周期來啟動:
雖然一開始看起來什么都沒有發(fā)生，但如果你放大最初部分，你會發(fā)現(xiàn)有些事情確實發(fā)生了。根據(jù)諧振電路Q值，相位需要很多周期來調(diào)整振蕩條件以滿足振蕩條件。然后，它們似乎會突然都活躍了起來。
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