晶振是石英晶體諧振器(quartz crystal oscillator)的簡稱,也稱有源晶振,它能夠產生中央處理器(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上的,時鐘信號頻率越高,通常CPU的運行速度也就越快。
只要是包含CPU的電子產品,都至少包含一個時鐘源,就算外面看不到實際的振蕩電路,也是在芯片內部被集成,它被稱為電路系統的心臟。
單片機上,這個計算機是如果做到讓人感覺同時做了很多事的呢?
有點基礎的應該知道是通過時間分片的模式來運行的,就是時間片輪轉,把cpu讓給一個先進先出的進程隊列(時間片用完當前進程就跑到隊列尾,cpu執(zhí)行隊列頭的進程),時間交替的很快,讓人們覺得的多個程序是一起執(zhí)行的。
那cpu又是怎樣做到時間片輪轉的呢?也就是這個時間片是怎么做到的呢?這里就有個中斷(時針中斷)的概念,
cpu是一直運行的,但是要讓cpu在一個特定的時間片下提醒下cpu。哎你要中斷了時間到了要執(zhí)行下一個進程了。
這里的中斷就是要計算機硬件的支持,這里要說的就是晶振(晶體振蕩器,也叫石英晶體振蕩器,也有不是石英材質的,像陶瓷晶體振蕩器)
如下圖所示的有源晶振,在外部施加適當的電壓后,就可以輸出預先設置好的周期性時鐘信號,
這個周期性輸出信號的標稱頻率(Normal Frequency)晶振,就是晶體元件規(guī)格書中所指定的頻率,也是工程師在電路設計和元件選購時首要關注的參數。晶振常用標稱頻率在1~200MHz之間,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的輸出頻率也常用PLL(鎖相環(huán))將低頻進行倍頻至1GHz以上。
輸出信號的頻率不可避免會有一定的偏差,我們用頻率誤差(Frequency Tolerance)或頻率穩(wěn)定度(Frequency Stability),用單位ppm來表示,即百萬分之一(parts per million)(1/106),是相對標稱頻率的變化量,此值越小表示精度越高。
比如,12MHz晶振偏差為±20ppm,表示它的頻率偏差為12×20Hz=±240Hz,即頻率范圍是(11999760~12000240Hz)
另外,還有一個溫度頻差(Frequency Stability vs Temp)表示在特定溫度范圍內,工作頻率相對于基準溫度時工作頻率的允許偏離,它的單位也是ppm。
我們經常還看到其它的一些參數,比如負載電容、諧振電阻、靜電容等參數,是神馬情況?這些與晶體的物理特性有關。我們先了解一下晶體,如下圖所示
石英晶體有一種特性,如果在晶片某軸向上施加壓力時,相應施力的方向會產生一定的電位
相反的,在晶體的某些軸向施加電場時,會使晶體產生機械變形;
如果在石英晶片上加上交變電壓,晶體就會產生機械振動晶振,機械形變振動又會產生交變電場,盡管這種交變電場的電壓極其微弱,但其振動頻率是十分穩(wěn)定的。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(與切割后的晶片尺寸有關,晶體愈薄,切割難度越大,諧振頻率越高)相等時,機械振動的幅度將急劇增加,這種現象稱為“壓電諧振”。
將石英晶片按一定的形狀進行切割后,再用兩個電極板夾住就形成了無源晶振,其符號圖如下所示:
下圖是一個在諧振頻率附近有與晶體諧振器具有相同阻抗特性的簡化電路。
其中:C1為動態(tài)等效串聯電容;
L1為動態(tài)等效串聯電感;
R1為動態(tài)等效串聯電阻,它是晶體內部摩擦性當量
C0為靜態(tài)電容,相當于兩個電極板之間的電容量;
這個等效電路有如下圖所示的頻響特性曲線:
當R1、L1、C1串聯支路發(fā)生諧振的頻率即串聯諧振頻率(Fr),此時容抗與感抗相互抵消,因此,支路相當于只有等效串聯電阻R1。
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