雖然振蕩器是大多數電子器件中的關鍵元件,但設計人員在大多數情況下無需自行設計振蕩器,因為該器件包含大量振蕩器電路.相反,他們只需選擇振蕩器功能所需的晶體和外部電容.如果選擇了錯誤的晶振或外部電容,可能會導致器件無法正常工作,過早失效或無法在預期的溫度范圍內工作.
使用此皮爾斯振蕩器電路,用戶可以在并聯諧振模式下測試和驗證晶體的基本操作.它允許用戶計算和設置關鍵外部電容值,然后讀取振蕩頻率.
石英晶振具有并聯和串聯諧振模式,并且振蕩器電路針對一種模式或另一種模式進行校準,但不是兩者都校準.常見的皮爾斯門振蕩器(圖1)使用并聯晶振模式.這里,晶體由頻率和負載電容(CL)指定,該電容是晶體需要看到以所需頻率振蕩的電容.鎖相環(PLL)通常用于從如圖所示的振蕩器電路產生的低頻信號中獲得廉價的高頻時鐘信號,這減輕了極高頻晶體的使用.
1.采用并聯諧振模式的皮爾斯門振蕩器是最常見的石英晶體振蕩器拓撲結構.任何有用的電路模型都必須考慮柵極和其他寄生電容.
設計人員必須選擇電容CL1和CL2的值,以匹配指定的晶體負載電容(CL).最常見的錯誤是假設并行的CL1和CL2的值等于CL的值,這是不準確的.這是因為大多數設計人員忽略了逆變器門的內部輸入和輸出電容(參見CIN和COUT)以及其他一些寄生電容.與外部電容相比,這些電容的價值很大(CL1和CL2);因此,設計者必須計算值CL1和C.L2使用公式1匹配制造商指定的CL:
[CL1+CIN)(CL2+COUT)/CL1+CIN+CL2+COUT]+CSTRAY=CL(1)
如果未指定CIN和COUT,則假設每個為5pF,CSTRAY為3pF,作為起點經驗法則.必須通過改變CL1和CL2的起始值來優化振蕩器電路,以使總電容等于晶體制造商晶振廠家規定的CL.微調電容器可以代替CL1和/或CL2,以便手動調節它們的值.(對于CL1和CL2,請務必使用溫度系數較低的陶瓷電容器(COG或NP0型),并避免使用Z5U材料制成的電容器.)
這個基本測試電路是皮爾斯門振蕩器,它提供貼片晶振頻率的讀數.有兩個電阻調整(POT1和POT2)以獲得最佳性能,這是頻率以及晶體和寄生電容的函數.
圖2示出了提供連接到端子X1和X2的有源晶振的頻率(以兆赫為單位)的電路的示意圖.該電路使用配置為并聯諧振(U1)的皮爾斯門振蕩器.它的輸出通過一個無緩沖的反相器(U3),到一系列作為分頻器的四位同步計數器(U4,U5,U6),再到一個頻率-電壓轉換器(U7),以產生一個電壓與振蕩器產生的信號頻率成正比.該電壓由具有內部七段驅動器(U8)的31/2位模數轉換器數字化,通過兩位LED讀數顯示晶體頻率.
用戶需要先對電路進行兩次調整才能使用:
•調節電位器POT2以獲得VREF=VREFHi-VREFLo=0.1V.
•對于fOSC=αMHz的晶體,調整電位器POT1以獲得略高于10αmV的電壓VAUX.因此,對于fOSC=4MHz的晶體,電壓VAUX必須約為42mV.
在進行調整之后,使用等式1計算電容器CL1和CL2的值以測量晶振的頻率;假設CIN和COUT各自等于7pF,CSTRAY約為3pF,CL1=CL2.
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