帝國(guó)科技公司教你分辨晶振的波形和正確選擇波形應(yīng)用
來源：http://ljnshy.cn 作者：帝國(guó)科技 2012年06月16
帝國(guó)科技主要生產(chǎn)晶振，石英晶振，表晶、32.768K、陶瓷晶振，代理進(jìn)口晶振，下面給分享一下怎么辨別晶振的波形和正確選擇波形應(yīng)用。
晶振的輸出波形主要有三大類：正弦波、方波和準(zhǔn)正弦波。
晶振負(fù)載主要有以下幾種：
1、正弦波：負(fù)載50歐姆或1k歐姆；
2、方波：N個(gè)TTL負(fù)載或N個(gè)PF電容；
3、準(zhǔn)正弦波：10K歐姆并聯(lián)10PF電容；
此外還有差分輸出PECL、LVDS等高頻（100MHz以上）常用的，實(shí)際使用中晶振的輸出一般用于驅(qū)動(dòng)以下電路形式：
1、同軸電纜類的長(zhǎng)線輸出；
2、濾波器類的電路的輸出；
以上兩種電路一般適用于50歐姆的負(fù)載。這是因?yàn)橐陨蟽煞N電路一般需要50歐姆負(fù)載作匹配，在射頻領(lǐng)域還有75歐姆、300歐姆等特征阻抗，需要時(shí)要加以說明。此類的輸出波形最適合的為正弦波，正弦波經(jīng)過長(zhǎng)線傳輸后波形只是幅度有所衰減，波形并不會(huì)有畸變。
3、門電路的輸入；
要驅(qū)動(dòng)門電路，需要講究高電平、低電平、占空比、上升時(shí)間、下降時(shí)間等指標(biāo)，否則難以順利驅(qū)動(dòng)。因此方波是最適合的波形。門電路也有TTL和CMOS門的區(qū)分，但目前主流的電路都實(shí)現(xiàn)了TTL/CMOS的兼容，作為高阻抗的輸入，其輸入的電阻成分阻值很大，但具有一定的容性阻抗。例如典型的74HC04與非門的輸入阻抗約為3.5PF（有時(shí)候晶振輸出不止驅(qū)動(dòng)一個(gè)門，因此方波負(fù)載一般為15PF，這樣可以驅(qū)動(dòng)3~4個(gè)門，有種高驅(qū)動(dòng)能力的重負(fù)載為50PF，可以驅(qū)動(dòng)十幾個(gè)門）。
4、取代石英諧振器作為振蕩電路的輸入
在很多電子芯片中都可以直接使用晶體諧振器做為時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器，如果要求更高質(zhì)量的時(shí)鐘，也會(huì)用到晶體振蕩器。例如常用的單片機(jī)AT89C51，其管腳XTAL1和XTAL2本是用來接晶體諧振器的（另外需要2個(gè)電容），如果用來接晶體振蕩器：分析其內(nèi)部電路可知，XTAL1腳為其內(nèi)部振蕩電路的輸入端，輸入阻抗很高，放大倍數(shù)很大，因此較小的波形就可以使其觸發(fā)工作（峰峰值100mV~1V），特別適合于準(zhǔn)正弦波的驅(qū)動(dòng)。正弦波輸出的晶振也可以對(duì)其驅(qū)動(dòng)，但需要在輸入端加阻抗匹配電阻，對(duì)晶振的輸出也是一種浪費(fèi)。方波輸出的晶振也可以對(duì)其驅(qū)動(dòng)，但因方波輸出幅度太大，存在過驅(qū)動(dòng)的嫌疑，過驅(qū)動(dòng)的壞處就是會(huì)使時(shí)鐘電路的噪聲變大，如果對(duì)噪聲不敏感，也可以這樣用。方波輸出的晶振最好接入XTAL2管腳，XTAL2管腳是門電路輸入和輸出的并聯(lián)，其輸入阻抗較低，需要的驅(qū)動(dòng)電平較大（至少要達(dá)到TTL電平低電平小于0.4V，高電平大于2.4V的標(biāo)準(zhǔn)）。用正弦波或準(zhǔn)正弦波需要其帶負(fù)載時(shí)峰峰值達(dá)到2V以上才可以。說明：接晶體振蕩器時(shí)，管腳上的2個(gè)電容一般是不需要的。
5、三極管、高速運(yùn)放電路的輸入
有時(shí)候用戶為實(shí)現(xiàn)整形、放大等目的，用三極管、高速運(yùn)放對(duì)晶振波形進(jìn)行處理，這種情況下負(fù)載阻抗一般不是太重，用正弦波的波形最為合適。需要提供負(fù)載、波形幅度等參數(shù)。
6、對(duì)EMI、頻率干擾有特殊要求的電路
這種電路要求輸出的高次諧波成分很小，因此不管驅(qū)動(dòng)的是什么電路，都以正弦波為最好。
方波輸出分為：TTL電平和CMOS電平在：
TTL電平輸入低電平<=0.8V，高電平>=2.0V；輸出低電平<0.4V，高電平>2.4V，最大低電平和最小高電平之間是無效電壓；
CMOS電平輸入低電平<0.3Vcc，輸入高電平>0.7Vcc，輸出低電平<0.1Vcc（接近于0），輸出高電平>0.9Vcc（接近于電源電壓）。
無源晶體輸出波形為正弦波，有源晶振輸出波形為正弦波或方波。有源晶振本身輸出是正弦波，在其內(nèi)部加了整形電路，所以輸出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波輸出（很多時(shí)候在示波器上看到的還是波形不太好的正弦波，這是由于示波器的帶寬不夠。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器測(cè)量，顯示的是正弦波，這是由于方波的傅里葉分解為基頻和奇次諧波的疊加，帶寬不夠的話，就只剩下基頻20MHz和60MHz的諧波，所以顯示正弦波。完美的再現(xiàn)方波需要至少10倍的帶寬，5倍的帶寬只能算是勉強(qiáng)，所以需要至少100M的示波器。）。
方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘上，用來驅(qū)動(dòng)時(shí)純計(jì)數(shù)電路或門電路，對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。正弦波主要用于對(duì)EMI、頻率干擾有特殊要求的電路，這種電路要求輸出的高次諧波成分很小；后面有模擬電路選用正弦波也是比較好的選擇。通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。方波輸出功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但諧波分量豐富；正弦波輸出功率不如方波，但其諧波分量小很多。
有源晶振的頻率輸出必定要有某個(gè)波形作為輸出載體，波形的輸出也必定會(huì)伴隨著某個(gè)負(fù)載值。在實(shí)際使用中，波形負(fù)載也是晶振的非常重要參數(shù)指標(biāo)。選擇不當(dāng)?shù)脑挘p則導(dǎo)致晶振或其他模塊工作不正常，功能無法實(shí)現(xiàn)，重則損壞模塊甚至整機(jī)。
作者：帝國(guó)科技
晶振的輸出波形主要有三大類：正弦波、方波和準(zhǔn)正弦波。
晶振負(fù)載主要有以下幾種：
1、正弦波：負(fù)載50歐姆或1k歐姆；
2、方波：N個(gè)TTL負(fù)載或N個(gè)PF電容；
3、準(zhǔn)正弦波：10K歐姆并聯(lián)10PF電容；
此外還有差分輸出PECL、LVDS等高頻（100MHz以上）常用的，實(shí)際使用中晶振的輸出一般用于驅(qū)動(dòng)以下電路形式：
1、同軸電纜類的長(zhǎng)線輸出；
2、濾波器類的電路的輸出；
以上兩種電路一般適用于50歐姆的負(fù)載。這是因?yàn)橐陨蟽煞N電路一般需要50歐姆負(fù)載作匹配，在射頻領(lǐng)域還有75歐姆、300歐姆等特征阻抗，需要時(shí)要加以說明。此類的輸出波形最適合的為正弦波，正弦波經(jīng)過長(zhǎng)線傳輸后波形只是幅度有所衰減，波形并不會(huì)有畸變。
3、門電路的輸入；
要驅(qū)動(dòng)門電路，需要講究高電平、低電平、占空比、上升時(shí)間、下降時(shí)間等指標(biāo)，否則難以順利驅(qū)動(dòng)。因此方波是最適合的波形。門電路也有TTL和CMOS門的區(qū)分，但目前主流的電路都實(shí)現(xiàn)了TTL/CMOS的兼容，作為高阻抗的輸入，其輸入的電阻成分阻值很大，但具有一定的容性阻抗。例如典型的74HC04與非門的輸入阻抗約為3.5PF（有時(shí)候晶振輸出不止驅(qū)動(dòng)一個(gè)門，因此方波負(fù)載一般為15PF，這樣可以驅(qū)動(dòng)3~4個(gè)門，有種高驅(qū)動(dòng)能力的重負(fù)載為50PF，可以驅(qū)動(dòng)十幾個(gè)門）。
4、取代石英諧振器作為振蕩電路的輸入
在很多電子芯片中都可以直接使用晶體諧振器做為時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器，如果要求更高質(zhì)量的時(shí)鐘，也會(huì)用到晶體振蕩器。例如常用的單片機(jī)AT89C51，其管腳XTAL1和XTAL2本是用來接晶體諧振器的（另外需要2個(gè)電容），如果用來接晶體振蕩器：分析其內(nèi)部電路可知，XTAL1腳為其內(nèi)部振蕩電路的輸入端，輸入阻抗很高，放大倍數(shù)很大，因此較小的波形就可以使其觸發(fā)工作（峰峰值100mV~1V），特別適合于準(zhǔn)正弦波的驅(qū)動(dòng)。正弦波輸出的晶振也可以對(duì)其驅(qū)動(dòng)，但需要在輸入端加阻抗匹配電阻，對(duì)晶振的輸出也是一種浪費(fèi)。方波輸出的晶振也可以對(duì)其驅(qū)動(dòng)，但因方波輸出幅度太大，存在過驅(qū)動(dòng)的嫌疑，過驅(qū)動(dòng)的壞處就是會(huì)使時(shí)鐘電路的噪聲變大，如果對(duì)噪聲不敏感，也可以這樣用。方波輸出的晶振最好接入XTAL2管腳，XTAL2管腳是門電路輸入和輸出的并聯(lián)，其輸入阻抗較低，需要的驅(qū)動(dòng)電平較大（至少要達(dá)到TTL電平低電平小于0.4V，高電平大于2.4V的標(biāo)準(zhǔn)）。用正弦波或準(zhǔn)正弦波需要其帶負(fù)載時(shí)峰峰值達(dá)到2V以上才可以。說明：接晶體振蕩器時(shí)，管腳上的2個(gè)電容一般是不需要的。
5、三極管、高速運(yùn)放電路的輸入
有時(shí)候用戶為實(shí)現(xiàn)整形、放大等目的，用三極管、高速運(yùn)放對(duì)晶振波形進(jìn)行處理，這種情況下負(fù)載阻抗一般不是太重，用正弦波的波形最為合適。需要提供負(fù)載、波形幅度等參數(shù)。
6、對(duì)EMI、頻率干擾有特殊要求的電路
這種電路要求輸出的高次諧波成分很小，因此不管驅(qū)動(dòng)的是什么電路，都以正弦波為最好。
方波輸出分為：TTL電平和CMOS電平在：
TTL電平輸入低電平<=0.8V，高電平>=2.0V；輸出低電平<0.4V，高電平>2.4V，最大低電平和最小高電平之間是無效電壓；
CMOS電平輸入低電平<0.3Vcc，輸入高電平>0.7Vcc，輸出低電平<0.1Vcc（接近于0），輸出高電平>0.9Vcc（接近于電源電壓）。
無源晶體輸出波形為正弦波，有源晶振輸出波形為正弦波或方波。有源晶振本身輸出是正弦波，在其內(nèi)部加了整形電路，所以輸出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波輸出（很多時(shí)候在示波器上看到的還是波形不太好的正弦波，這是由于示波器的帶寬不夠。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器測(cè)量，顯示的是正弦波，這是由于方波的傅里葉分解為基頻和奇次諧波的疊加，帶寬不夠的話，就只剩下基頻20MHz和60MHz的諧波，所以顯示正弦波。完美的再現(xiàn)方波需要至少10倍的帶寬，5倍的帶寬只能算是勉強(qiáng)，所以需要至少100M的示波器。）。
方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘上，用來驅(qū)動(dòng)時(shí)純計(jì)數(shù)電路或門電路，對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。正弦波主要用于對(duì)EMI、頻率干擾有特殊要求的電路，這種電路要求輸出的高次諧波成分很小；后面有模擬電路選用正弦波也是比較好的選擇。通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。方波輸出功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但諧波分量豐富；正弦波輸出功率不如方波，但其諧波分量小很多。
有源晶振的頻率輸出必定要有某個(gè)波形作為輸出載體，波形的輸出也必定會(huì)伴隨著某個(gè)負(fù)載值。在實(shí)際使用中，波形負(fù)載也是晶振的非常重要參數(shù)指標(biāo)。選擇不當(dāng)?shù)脑挘p則導(dǎo)致晶振或其他模塊工作不正常，功能無法實(shí)現(xiàn)，重則損壞模塊甚至整機(jī)。
作者：帝國(guó)科技
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