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【知识科普】晶振究竟是如何起振的?

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在我们生存的世界,万物运动不止。从宇宙太阳系,到一个人、一个元器件等,都以各种形式时刻运行着。但问题来了,万物运动的原动力是什么呢?
【知识科普】晶振究竟是如何起振的?图1
此外省略一万字...
emmm...要不先来个简单的,先搞懂搞懂晶振起振的原动力。

01  是谁?先敲动晶振的“心”?
晶振是电路中可以提供高度稳定时钟信号的元器件。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步,一起“干大事”。比如在我们常用的计算机系统中,晶振可比喻为各板卡的“心跳”发生器,如果主卡的“心跳”出现问题,必定会使其他各电路出现故障。
人体的心跳搏动,离不开血液。晶振也是一样,离不开电流。所以简单来说,晶振起振的原动力是——,我们需要把一个晶振放在完整的电路中,并给电路供上电,产生回路电流,晶振自此开始稳定有节奏的“跳动”。
【知识科普】晶振究竟是如何起振的?图3
晶振在红绿灯系统提供时钟信号
当然,这个起振回路也是有讲究的(有源晶振内嵌起振回路,无源晶振需外接起振回路),它需要遵循“巴克毫森稳定性准则”。

02  什么是巴克毫森稳定性准则?
巴克豪森稳定性准则,由德国物理学家巴克豪森(Heinrich Georg Barkhausen)于1921年提出的准则——电子振荡器系统信号由输入到输出再反馈到输入的相差为360°,且环路增益≥1,为振荡器起振的必要条件
一个简单振荡器想产生周期性的振荡,通常是以电压形式的输出,在持续不断地输出的同时,需要加入放大器以产生持续的反馈给到输入,由于放大器本身的输出在高频时相移太大会使整个反馈变成正的,从而产生振荡。
【知识科普】晶振究竟是如何起振的?图2
负反馈系统
当环路增益≥1时,说明输入信号在环路中逛一圈后又送到输入端,信号幅度比原来更大。
相位为360°,说明输入信号在电路中逛一圈后,相位与原本的输入信号完全相同,因此输入信号被完美的加强了。
两者结合,信号经过反复放大后不断增大,当环路中的信号幅度增大到一定程度后,振荡器中的有源器件(晶振电路中的反相器)存在的非线性会限制幅度的继续增加,使得振荡器的输出达到稳定。通俗说就是振荡的幅值肯定超不过电源电压。
【知识科普】晶振究竟是如何起振的?图4
03  如何判断晶振是否起振?
1、用示波器看波形
用示波器看波形是最直接的方法。因晶振波形的占空比为50%,所以测得的平均电压为1/2Vcc左右。
【知识科普】晶振究竟是如何起振的?图5
8MHz晶振的正常波形
晶振波形一般是正弦波或者方波,当输出波形是方波时,一般上升沿比较陡峭,且包含了较多的高频信号,这个时候就要保证测试的带宽足够,理论值是带宽是被测信号频率的2倍,实际测试方波时带宽应该是被测信号频率的10倍。
除了带宽之外,在测试晶振时,还有一点应该重点注意:晶振对电容负载较敏感,探头电容相对较大,相当于一个很重的负载并联在晶振电路中,容易导致电路停振而得不出正确的测量结果。所以在进行晶振测试的时候,需要保证足够的带宽和较小的输入电容。
2、用数字万用表的电压
档测电压无源晶振具备两个管脚:频率输入脚与频率输出脚。若晶振已经起振,说明这两个管脚之间必然存在电压差,这样才会有流经的电流对晶片产生激励功率。所以,我们可以用万用表的直流电压档,测量晶振两个引脚的电压。起振的时候,晶振两端的电压一般为芯片供电电压Vcc的一半。
但这里要注意,若芯片不良,则无法捕捉到晶振正在提供给它的正确的时钟信号。在这种情况之下,我们容易对晶振是否起振做出误判。
3、使用频率计测试
使用频率计测量晶振频率输出脚位时,若有正常的波形(常见为方波,温补晶振有削峰正弦波输出)或正常频率信号输出,则可视为该晶振已经正常起振。
最后,听声音判断晶振是否起振的方法,并不可靠。因为晶体的振荡频率远超人耳能够听见的频率上限,有时能够听到反而是有问题的,说明晶体质量不佳,更多的时候,正常工作的晶体是不会发出任何人耳能听到的声音的,有时声音来自外电路元件。
晶振是电路中必不可少的电子元器件,主要有无线数据传输和计时两种用途。但我国晶振行业起步较晚,目前国产晶振以中低端晶振产品为主,高端晶振主要依靠国外进口。随着国内5G、新能源产业的迅速发展,国内晶振需求量快速增长,国内厂商正奋力追赶,加快国产替代进程。

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