晶振输出波形的选择 -模拟/数字

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无源晶振输出波形为正弦波，有源晶振输出波形为正弦波或方波。有源晶振本身输出是正弦波，在其内部加了整形电路，所以输出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波输出（很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，这是由于示波器的带宽不够。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100M的示波器。）。方波主要用于数字通信系统时钟上，用来驱动时纯计数电路或门电路，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。正弦波主要用于对EMI、频率干扰有特殊要求的电路，这种电路要求输出的高次谐波成分很小；后面有模拟电路选用正弦波也是比较好的选择。通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。方波输出功率大，驱动能力强，但谐波分量丰富；正弦波输出功率不如方波，但其谐波分量小很多。有源晶振的频率输出必定要有某个波形作为输出载体，波形的输出也必定会伴随着某个负载值。在实际使用中，波形负载也是晶振的非常重要参数指标。选择不当的话，轻则导致晶振或其他模块工作不正常，功能无法实现，重则损坏模块甚至整机。晶振的输出波形主要有三大类：正弦波、方波和准正弦波。晶振负载主要有以下几种：1、正弦波：负载50欧姆或1k欧姆；2、方波：N个TTL负载或N个PF电容；3、准正弦波：10K欧姆并联10PF电容；此外还有差分输出PECL、LVDS等高频（100MHz以上）常用的，实际使用中晶振的输出一般用于驱动以下电路形式：1、同轴电缆类的长线输出；2、滤波器类的电路的输出；以上两种电路一般适用于50欧姆的负载。这是因为以上两种电路一般需要50欧姆负载作匹配，在射频领域还有75欧姆、300欧姆等特征阻抗，需要时要加以说明。此类的输出波形最适合的为正弦波，正弦波经过长线传输后波形只是幅度有所衰减，波形并不会有畸变。3、门电路的输入；要驱动门电路，需要讲究高电平、低电平、占空比、上升时间、下降时间等指标，否则难以顺利驱动。因此方波是最适合的波形。门电路也有TTL和CMOS门的区分，但目前主流的电路都实现了TTL/CMOS的兼容，作为高阻抗的输入，其输入的电阻成分阻值很大，但具有一定的容性阻抗。例如典型的74HC04与非门的输入阻抗约为3.5PF（有时候晶振输出不止驱动一个门，因此方波负载一般为15PF，这样可以驱动3~4个门，有种高驱动能力的重负载为50PF，可以驱动十几个门）。4、取代晶体谐振器作为振荡电路的输入在很多电子芯片中都可以直接使用晶体谐振器做为时钟脉冲产生器，如果要求更高质量的时钟，也会用到晶体振荡器。例如常用的单片机AT89C51，其管脚XTAL1和XTAL2本是用来接晶体谐振器的（另外需要2个电容），如果用来接晶体振荡器：分析其内部电路可知，XTAL1脚为其内部振荡电路的输入端，输入阻抗很高，放大倍数很大，因此较小的波形就可以使其触发工作（峰峰值100mV~1V），特别适合于准正弦波的驱动。正弦波输出的晶振也可以对其驱动，但需要在输入端加阻抗匹配电阻，对晶振的输出也是一种浪费。方波输出的晶振也可以对其驱动，但因方波输出幅度太大，存在过驱动的嫌疑，过驱动的坏处就是会使时钟电路的噪声变大，如果对噪声不敏感，也可以这样用。方波输出的晶振最好接入XTAL2管脚，XTAL2管脚是门电路输入和输出的并联，其输入阻抗较低，需要的驱动电平较大（至少要达到TTL电平低电平小于0.4V，高电平大于2.4V的标准）。用正弦波或准正弦波需要其带负载时峰峰值达到2V以上才可以。说明：接晶体振荡器时，管脚上的2个电容一般是不需要的。5、三极管、高速运放电路的输入有时候用户为实现整形、放大等目的，用三极管、高速运放对晶振波形进行处理，这种情况下负载阻抗一般不是太重，用正弦波的波形最为合适。需要提供负载、波形幅度等参数。6、对EMI、频率干扰有特殊要求的电路这种电路要求输出的高次谐波成分很小，因此不管驱动的是什么电路，都以正弦波为最好。方波输出分为：TTL电平和CMOS电平在：TTL电平输入低电平<=0.8V，高电平>=2.0V；输出低电平<0.4V，高电平>2.4V，最大低电平和最小高电平之间是无效电压；CMOS电平输入低电平<0.3Vcc，输入高电平>0.7Vcc，输出低电平<0.1Vcc（接近于0），输出高电平>0.9Vcc（接近于电源电压）；