Geyer晶體或振蕩器–哪一種以及如何應(yīng)用？

在設(shè)計(jì)新的電子電路時(shí)，設(shè)計(jì)工程師通常需要考慮石英晶體或振蕩器是否是合適的選擇：有多少空間可用？頻率穩(wěn)定性的要求是什么？組件和開(kāi)發(fā)這部分電路的成本是多少？

少量-振蕩器是合適的選擇

通過(guò)使用晶體，設(shè)計(jì)工程師可以構(gòu)建任何振蕩電路。那么，為什么現(xiàn)成的振蕩器即使在時(shí)鐘生成等簡(jiǎn)單應(yīng)用中也經(jīng)常使用呢？顯然，原因不僅在于所需的頻率穩(wěn)定性。安全的啟動(dòng)條件以及任何所需環(huán)境條件的可靠性也將發(fā)揮作用。此外，晶體的使用需要一定的努力來(lái)使電路適應(yīng)晶體并確保電路的可靠啟動(dòng)性能。

因此，建議少量使用以節(jié)省設(shè)計(jì)成本并使用比晶體更昂貴的振蕩器。通過(guò)使用振蕩器，不需要像晶體那樣的其他外部組件。這也可以節(jié)省PCB上的空間。石英晶體振蕩器很容易獲得，例如尺寸為7 x 5mm SMD或更小（圖1）。微控制器的手冊(cè)通常包含如何應(yīng)用外部振蕩器的信息。

通過(guò)晶體和分立元件構(gòu)建自己的振蕩電路對(duì)于更大的數(shù)量或如果不使用帶有內(nèi)部振蕩器的IC，可能會(huì)變得經(jīng)濟(jì)?？梢赃x擇Pierce或Colpitts振蕩器。此外，可以通過(guò)反相器電路的適當(dāng)反饋來(lái)創(chuàng)建振蕩器（圖2）。

晶體在微控制器中的應(yīng)用

大多數(shù)微控制器已經(jīng)包含了時(shí)鐘電路的基本組件。為了完成皮爾斯或科爾皮茨振蕩器類(lèi)型的電路，只需要一個(gè)晶體和其他外部無(wú)源元件。微控制器的應(yīng)用手冊(cè)描述了必要的細(xì)節(jié)。為了最大限度地減少任何寄生效應(yīng)，從微控制器到晶體電路的所有連接都應(yīng)盡可能短。

在40MHz及以上的頻率下，使用泛音晶體。這些泛音晶體需要一個(gè)特殊的濾波電路來(lái)抑制基本模式。濾波電路由電容器和電感組成。如果省略濾波器，則電路以其基本模式振蕩（例如：預(yù)期48MHz的第三泛音晶體，電路以16MHz振蕩）。帶有泛音晶體的振蕩器電路應(yīng)該非常謹(jǐn)慎地進(jìn)行尺寸和測(cè)試。

Geyer晶體或振蕩器–哪一種以及如何應(yīng)用？

帶外部晶體的皮爾斯振蕩器（基本模式）

如果微控制器配備皮爾斯振蕩器配置，晶體將連接到兩個(gè)電容器，如圖所示。3（C1和C2）。對(duì)于4MHz以上的頻率，不需要額外的串聯(lián)電阻器，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)拇?lián)電阻器通常包括在微控制器的逆變器級(jí)內(nèi)。此外，高歐姆電阻器集成在微控制器內(nèi)，用于調(diào)節(jié)直流工作電壓（圖3中為1MΩ）。CS1和CS2包括微控制器的輸入和輸出電容以及由PCB上的導(dǎo)電路徑貢獻(xiàn)的其他電容。通過(guò)外部電容器C1和C2，整個(gè)電路電容適合于貼片晶振晶體CL的指定負(fù)載電容：

示例：提供CL=16pF。假設(shè)CS1＝CS2＝12pF，外部電容器可以被評(píng)估為C1＝15pF和C2＝27pF。這些應(yīng)被視為以下優(yōu)化的初始值。為了提高電路的啟動(dòng)性能，C1小于C2。

如果頻率與晶體的實(shí)際諧振頻率匹配，則晶體電路處于最佳狀態(tài)。晶體在其指定負(fù)載電容下的實(shí)際諧振頻率可以在其測(cè)試記錄中找到。

應(yīng)在沒(méi)有來(lái)自探頭的任何反饋的情況下測(cè)量頻率。這通?？梢酝ㄟ^(guò)在微控制器的另一個(gè)端口處測(cè)量頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果晶體被電容器過(guò)載，則頻率小于所需頻率（否則頻率更大）。

皮爾斯振蕩器的串聯(lián)電阻器

如上所述，對(duì)于頻率低于4MHz的皮爾斯振蕩器配置的微控制器，可能需要外部串聯(lián)電阻器。串聯(lián)電阻器RV將有助于抑制不想要的泛音，并使內(nèi)部振蕩器適應(yīng)由C1、C2和晶體組成的外部pi電路。串聯(lián)電阻器RV可評(píng)估如下：RV與電容器C2串聯(lián)，因此起到低通濾波器的作用（圖2）。應(yīng)提供C2的值。通過(guò)選擇RV，截止頻率fT應(yīng)在基本模式頻率和第三泛音之間（方程2和3）。

Geyer晶體或振蕩器–哪一種以及如何應(yīng)用？

帶外部晶體的Colpitts振蕩器（基本模式）

如果微控制器提供Colpitts振蕩器配置，則微控制器顯示如圖所示的電路。4.電容器C1和C2的選擇如等式（1）所述。
示例：提供CL=16pF。假設(shè)CS1＝CS2＝10pF，外部電容器可以被評(píng)估為C1＝C2＝22pF。如上所述，應(yīng)在沒(méi)有任何探針?lè)答伒那闆r下測(cè)量頻率。

只有一個(gè)基本模式晶體輸入的微控制器

有時(shí)，微控制器的手冊(cè)只顯示了晶體的一個(gè)輸入。石英晶振晶體和電容器都接地，如圖所示。5.微控制器制造商的意圖是調(diào)整負(fù)載電容或確保晶體的直流絕緣（或兩者）。
一個(gè)可行的解決方案是選擇一個(gè)電容值，該電容值與晶體的指定負(fù)載電容大致相同（方程4）。

示例：提供CL=16pF。用于優(yōu)化的合適的初始值是C1＝16pF。該值應(yīng)分別通過(guò)無(wú)反饋頻率測(cè)量進(jìn)行檢查和校正

應(yīng)始終檢查啟動(dòng)裕度

為了檢查晶體是否能可靠地開(kāi)始振蕩，可以手動(dòng)將電阻器串聯(lián)焊接到晶體上。SMD電阻器最適合此測(cè)試。即使電阻值比晶體的最大規(guī)定諧振電阻高X倍，電路也應(yīng)振蕩。

晶體的最大指定諧振電阻可以在其數(shù)據(jù)表中找到。在整個(gè)要求的溫度范圍內(nèi)，系數(shù)X應(yīng)為3至5。對(duì)于特殊應(yīng)用，更高的系數(shù)X是合適的。
示例：提供諧振電阻R1，最大值=100Ω。如果電路用于工業(yè)目的，即使手動(dòng)焊接的測(cè)試電阻器的值為300Ω至500Ω，電路也應(yīng)正常工作。

結(jié)論：
對(duì)于較小的數(shù)量，使用振蕩器而不是晶體更經(jīng)濟(jì)。石英晶體振蕩器易于應(yīng)用并提供可靠的操作。對(duì)于更大的數(shù)量，并且僅用作簡(jiǎn)單的時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)，晶體比振蕩器更合理。本文描述了如何評(píng)估所需的外部組件。此外，還提出了一種檢查啟動(dòng)性能的簡(jiǎn)單方法。

照片1:SMD晶體振蕩器，尺寸為7x5mm。
此類(lèi)振蕩器適用于1MHz至160MHz的頻率范圍以及1,8V/2,5V/3,0V/3,3V和5V的電源電壓。（GEYER Electronic）
照片1:SMD晶體振蕩器，尺寸為7x5mm。
此類(lèi)振蕩器適用于1MHz至160MHz的頻率范圍以及1,8V/2,5V/3,0V/3,3V和5V的電源電壓。（GEYER Electronic）

照片2：皮爾斯振蕩電路與再生逆變器和一個(gè)基本模式石英晶體。RGK是一種用于調(diào)節(jié)直流工作電壓的高歐姆電阻器。
RV是用于抑制泛音頻率的串聯(lián)電阻器。C1和C2用于將總電容負(fù)載調(diào)整為晶體的指定負(fù)載電容。RV、晶體、C1和C2提供相移。與（放大）反相器的180°相移一起，可以實(shí)現(xiàn)振蕩的必要條件。

照片3：具有皮爾斯振蕩器配置的微控制器的典型外部電路。

照片4：具有Colpitt振蕩器配置的微控制器的典型外部電路。

照片5：例如，如果微控制器手冊(cè)只顯示了一個(gè)晶體的一個(gè)輸入。