在以MCU為基礎(chǔ)的電子系統(tǒng)中，往往同時存在內(nèi)部高速與低速、外部高速與低速等多種不同的基礎(chǔ)頻率信號，以及倍頻和分頻信號，以執(zhí)行指令、數(shù)據(jù)存取，和進(jìn)行外部通訊接口。即使一個簡單的嵌入式控制器，時鐘頻率也會高達(dá)幾十MHz，系統(tǒng)中的其他組件可能各有自己不同的頻率要求。例如，以太網(wǎng)絡(luò)控制器需要25 MHz的頻率，而大多數(shù)顯示設(shè)備的實時時鐘（RTC）則需要32.768 kHz，射頻（RF）系統(tǒng)的頻率需要更準(zhǔn)確，以實現(xiàn)端對端通訊并過濾掉不需要的信號和噪聲。

　　多樣化的時鐘源

　　MCU應(yīng)用廣泛，應(yīng)用場景豐富多彩，工作頻率各不相同，電路配置參數(shù)比較復(fù)雜。其中，振蕩器除了提供特定頻率外，還必須滿足其他需求，如串行或無線接口注重頻率精度和穩(wěn)定性。低功耗表現(xiàn)對手持或電池供電的設(shè)備十分必要，RTC尤其如此，因為即使在低功耗或待機(jī)模式下，RTC電路始終處于有效狀態(tài)。當(dāng)然，成本、封裝形式和外形尺寸也非常重要。

圖1：MCU的時鐘源

　　從基礎(chǔ)電路看，任何振蕩器都使用某種諧振（XTAL）或微調(diào)電路作為時鐘源，并搭配反饋元件產(chǎn)生特定的頻率輸出。其中，微調(diào)電路可以電阻電容（RC）或電感電容（LC）網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。這些裝置較為簡單，且能在寬廣的范圍內(nèi)變更頻率。不過，設(shè)計一個準(zhǔn)確的RC或LC振蕩器，需要使用昂貴的精確組件。MEMS硅振蕩器就是利用特制的RC網(wǎng)絡(luò)作為起振源，再組合其他補(bǔ)償電路和調(diào)節(jié)技術(shù)來提高頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。常見的石英晶體諧振器（XTAL）是一種精密諧振組件。早期工藝是將壓電效應(yīng)的晶體切割為兩個平行的晶面，并在其上沉積金屬接點，然后封裝成諧振器元件?，F(xiàn)在的晶振開始采用基于半導(dǎo)體工藝的MEMS技術(shù)和激光加工技能，可制造500MHz的高基頻、高可靠、低功耗的小型化產(chǎn)品，不再需要倍頻操作。晶體諧振器具備很高的質(zhì)量（Q）因子，這代表頻率是精確定義且非常穩(wěn)定，因此石英晶振是低成本、高準(zhǔn)確度振蕩器的基礎(chǔ)。

　　XTAL與振蕩器（XO）對比

　　振蕩器電路通常會整合到需要頻率信號的裝置內(nèi)。例如，許多MCU和類似裝置都有兩個接腳，用戶在上面簡單地連接一個晶體諧振器和一對陶瓷電容器，就實現(xiàn)了振蕩器電路。

圖2：振蕩器組件和雜散電容

　　需要注意的是，振蕩電路的總負(fù)載電容（CL）需要與晶體諧振器的指定CL相符。這是由用來匹配的陶瓷電容器加上晶體封裝、振蕩器輸入接腳和PCB的所有雜散電容的總和。要準(zhǔn)確計算電路中的所有雜散電容和寄生電容并不容易，因此您可以先進(jìn)行預(yù)估（通常在4至6pF左右），然后測量輸出頻率，以查看是否需要調(diào)整電容器的值。如果總CL大于指定CL，將會降低振蕩頻率。如果CL太低，則頻率將更高。如果CL的高低過于懸殊，則振蕩器可能根本無法啟動。一種更為簡單方案是購買現(xiàn)成的振蕩器模塊，該模塊整合了晶體諧振器，以及包括負(fù)載電容器等在內(nèi)的所有需要的組件。這樣，用戶只需提供適合的電源供應(yīng)器，就以合理的價格獲得了高效能的振蕩器。對于以太網(wǎng)絡(luò)接口或無線通信系統(tǒng)等要求準(zhǔn)確和穩(wěn)定頻率的產(chǎn)品應(yīng)用，晶體振蕩器（XO）是不錯的選擇。

　　VCXO與TCXO的選擇

　　由于振蕩器的輸出頻率隨外部CL變化，建構(gòu)能在很小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出的晶體振蕩器成為可能。例如，這在接收器需要調(diào)整自己的頻率以符合接收信號的RF應(yīng)用中非常實用。壓控晶振（VCXO）使用稱為變?nèi)萜鳎ɑ蜃內(nèi)?a target="_blank">二極管）的裝置作為負(fù)載電容器。變?nèi)萜鞯碾娙輹S施加的控制電壓而變化，進(jìn)而改變振蕩頻率。VCXO的關(guān)鍵參數(shù)為“牽引率”，代表控制電壓范圍和頻率抖動。牽引率定義給定控制電壓變化時的頻率變化。較大的值表示振蕩器可以在較大的范圍內(nèi)運作，但是較小的值表示較佳的穩(wěn)定性和較低的相位噪聲。VCXO牽引率最大調(diào)整范圍通常約為+/-200ppm，控制電壓通常為0-2V或3V。VCXO頻率抖動會高于固定頻率振蕩器，尤其是在限制狀態(tài)運作時調(diào)整范圍的極端情況下。如果您在操作溫度范圍內(nèi)要求的穩(wěn)定性，比普通晶體振蕩器所能提供的更大，則可能需要使用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）。這些也可以作為具有廣泛參數(shù)的現(xiàn)成模塊來提供。TCXO包含一個測量環(huán)境溫度，然后產(chǎn)生控制電壓以調(diào)整VCXO頻率的電路，以補(bǔ)償溫度變化所產(chǎn)生的影響。TCXO會根據(jù)晶體的溫度頻率響應(yīng)曲線計算所需的控制電壓。TCXO模塊通常也包括自己的穩(wěn)壓器，因此振蕩器不會受外部供應(yīng)電壓變化的影響?？傊w諧振器（XTAL）和晶體振蕩器（XO）具有廣泛的參數(shù)和應(yīng)用供用戶選擇，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境需求。由于大多數(shù)頻率器件都整合了完整的振蕩器電路，模塊話設(shè)計也有電壓控制或溫度補(bǔ)償選項，這讓選型變得非常簡單。如果需要更高頻率時，HFF高基頻晶振（HFF oscillator）是不錯的選擇。、



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