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[技术讨论]

晶体振荡器的频率输出参数以及说明

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楼主
想必很多人接触晶振都是从51单片机开始的,虽然时钟的频率因应用而异,当时一般都听过频率 32768 Hz (32.768 KHz)这个频率,为什么是这个频率值呢?原因它是2的15次方,如果对其进行15次分频,就会得到1,也就是1S,所以如果我们使用这一频率的晶振,我们就很容易得到1S的计时时钟,从而可以得到比较精确的 1 秒周期。并且另一方面,在大多数应用中,尤其是数字应用,电流消耗必须尽可能低,从而延长电池寿命。并且在许多应用中,尤其是当前比较流行的智能手环以及智能手表,电流消耗必须尽可能低以保持电池寿命,所以时钟频率也不能太高,该频率被选为低频,方便实现低功耗,当然也方便制造,但是低频对应的石英晶体外形在物理尺寸上一般也更大。
事实上不管任何振荡器,其中的关键组件都是谐振器,因为我们需要通过谐振器来控制频率并确定可以达到的稳定性输出规格。 相信在学校参加过电子竞赛的都有了解过正弦波生产的震荡电路,虽然我们可以使用 LC 或 RC 谐振器实现一个简单的振荡器,这可能足以满足某些简单的应用,但是这种振荡器的稳定性一般不佳,和石英晶体振荡器比起来,石英晶体振荡器将大大提高电路的频率稳定性能到几个数量级,并且其通常对成本的影响也不是很大。
接下来我们说一下晶振的几个关键的选型因素,首先是输出频率,任何振荡器的最基本属性是它将产生的频率,这也是我们要用它的目的,振荡器可以以一定频率产生重复交流输出。需要多大的频率取决于产品的应用,一般来说需要和MCU进行匹配,MCU规格书中也会给出推荐的晶振频率,所以我们所需的晶振频率取决于系统类型及系统运行方式。一些应用需要 kHz 范围内的低频晶振即可,就像我们一开始说的一个常见的例子是 32.768 kHz的用于手表的晶体。当然了目前但大多数应用需要频率范围从低于 10 MHz 甚至到高于 100 MHz 的更高频率的晶体。
接下来就是频率稳定性,这是振荡器的基本性能指标,它通常以标称输出频率的百万分之一(ppm) 来表示,你可以把它理解成由于外部条件的变化,导致输出频率与其理想值的偏差。 因此,频率稳定性较小的值,这意味着稳定性较好,从而晶振有更好的性能。外部条件的定义可能因不同的晶体振荡器类别而异,但通常包括温度变化和 25°C 时的初始偏移量。 当然了影响因素还有随时间推移产生的频率老化,以及由于焊接导致的频率偏移以及电源电压变化和输出负载变化等电气条件导致的偏移。另外晶体振荡器的频率和物理尺寸是息息相关的,一方面是影响其长和宽,另外一方面是会影响石英晶片厚度,因为石英晶片越薄,我们获得的频率才会越高。

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