关于有源振荡器，你用对了吗？

1.概要
??第一篇原创文章以电子电路的工作心脏晶体振动为主题，分享设计经验。由于作者的能力有限，如果文章中有不恰当的描述，请给出建议，共同探索电子世界。
??晶体振荡器一般可分为无源晶体振荡器和有源振荡器。本文仅针对有源振荡器。有源振荡器的优点是输出时钟频率稳定性高，信号质量好。但是，在选择有源振荡器时，应注意其输出时钟信号的类型，这应符合主芯片的时钟要求。
??本文重点介绍了有源振荡器的分类、主要参数、硬件电路设计、PCB布线、波形试验。
2.有源振荡器分类
??根据功能和实现技术，有源晶体振荡器可分为以下几类：
??1>*普通晶体振荡器(SPXO):*普通晶体振荡器是最简单的晶体振荡器，由晶体元件和振荡电路组成PCB电路板上用金属外壳包装的频率器件通常用作微处理器的时钟器件。
??2>*晶体振荡器的温度补偿(TCXO)：*晶体振荡器的温度补偿在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。热敏补偿网络用于一般模拟温补晶振。补偿后，频率精度较高。由于其良好的启动特性、优越的性能、价格比、功耗低、体积小、环境适应性强等优点，通常用于手机等通信设备GPS定位等。
??3>*晶体振荡器的差异(DXO)：*晶体振荡器的差异是目前行业中公认高技术，高要求的一款晶体振荡器，是指输出差分信号使用2种相位彼此完全相反的信号，从而消除了共模噪声，并产生一个更高性能的系统。差异晶振一般为六脚贴片，输出类型分为几种，LVDS,LV-PECL，具有低电平，低抖动，低功耗等特性。
??4>*压制晶体振荡器(VCXO)：*压制晶体振荡器是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合，通常用于锁相环路。
??5>*恒温晶体振荡器(OCXO) ：*恒温晶体振荡器简称恒温晶体振荡器，是利用恒温槽保持晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度恒定， 将周围温度变化引起的振荡器输出频率变化降至最小晶体振荡器。OCXO与上述三种类型的振荡器相比，频率精度最高，输出频率稳定性最高。通常用于军工、航空航天等精度要求较高的特殊领域。
??6>*晶体振荡器的数字补偿(MCXO)：*晶体振荡器的数字补偿用MCU温度数字补偿的晶振称为MCXO。主要是运用MCU采样温度传感器的温度值，将结果存储在单片机中，并将补偿数据信号输出到高精度D/A将其转换为补偿电路获得补偿电压，通过补偿电压补偿振荡频率，大大降低温度变化对晶体振动稳定性的影响。
??7>*晶体振荡器压制温度补偿(VC-TCXO)：*晶体振荡器压制温度补偿是温度补偿晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。
??8>*恒温晶体振荡器的压控(VC-OCXO)：*恒温晶体振荡器的压控是恒温晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。
3.有源振荡器的主要参数
??1>总频差：在规定的时间内，晶体振荡器频率与给定标称频率之间的最大偏差是由规定的工作和非工作参数组合。
??2>频率温度稳定性：在标称电源和负载下，在规定温度范围内工作的最大允许频率偏差，无隐含基准温度或隐含基准温度。
??3>启动特性(稳定频率预热时间):指启动后一段时间(如 5 开机后另一段时间(如1小时)频率的变化率为分钟)，表示晶振速度稳定。
??4>频率老化率：振荡器频率与时间的关系在恒定环境条件下测量。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化引起的。因此，其频率偏移的速率称为老化率，可用于规定期限后的最大变化率(如±10ppb/天，加电72小时后)，或规定时限内最大总频率变化(如:± 1ppm/（第 一年）和±5ppm表示/(十年)。
??5>短期稳定性：短期稳定性。
??6>频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调整到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值变化.
??7>速率压力控制线性：输出频率-输入控制电压传输特性与理想（直线）函数相比的一种测量。它以百分比表示整个范围频率偏差的允许非线性度。
??8>单边带相位噪声（f）：偏离载波 f 相位调制边带的功率密度与载波功率之比。
4.硬件电路设计
??有源振荡器EMC设计标准硬件电路，如图1所示(图为灵魂手绘图):

???图1：有源振荡器EMC电路
??有必要添加有源振荡器的电源输入FB磁珠可根据实际需要过滤的噪声选择磁珠的大小，也可通过电源抑制振荡器的高频信号干扰其他电路。
??C1和C二是电源滤波电容器，可根据图纸选择容值，或根据实际电路特性进行调整。
??R1.时钟信号输出的阻抗匹配电阻可低时钟信号反射，可根据实际振荡器输出阻抗进行相应调整。
??C3强烈建议预留电容器，不仅能有效提高振荡器高振荡器的时钟信号质量，还能制造产品EMC中RE辐射测试时，C3电容器很可能成为你电路板的救命稻草，因为在大多数情况下，电路板上的辐射是由时钟引起的。由于时钟信号频率固定，时钟信号属于单个信号。RE在测试过程中，如果发现单个辐射超标，基本上可以得出结论，它是由时钟信号引起的。有些人可能会问，高频数据的传输不会导致辐射超标吗？当然，但如果是定期的单辐射，则应考虑是由时钟信号引起的，因为高频数据高、低电平不规则，时域频率不固定，不会形成单辐射。
??R1和C3组成低通滤波器，可以滤除时钟信号中的高频分量，降低时钟信号向外辐射能量。对于常用的10M-100M时钟信号一般选择10pF-30pF,可根据实测波形确定，容会导致时钟信号边缘变慢，影响信号质量。
5.PCB布局布线
??1>振荡器金属外壳接地良好，既能防止振荡器向外辐射，又能防止外部干扰。
??2>振荡器下方应铺铜，避免干扰内层，铺铜与系统单点接地。
??3>尽量避免在振荡器下方走线，以免被时钟信号干扰。
??4>时钟线尽量短，越短越好。
??5>电源滤波器电容靠近振荡器，容量小的电容靠近振荡器。
??6>振荡器不能放置在电路板的边缘，因为电路板通常与金属外壳系统连接，这个地方可以称为参考地点，振荡器的边缘和参考地点之间会形成电场，导致外部辐射。如果电缆通过辐射区域，则干扰电缆信号。振荡器放置在板边和中间的电场分布如图2所示：

???图2：振荡器分布在板边和中间
??7>当时钟信号分叉时，应设计匹配电阻，匹配电阻放置在时钟芯片附近。
6.波形测试
??测试实际电路，主要测试时钟输出端的匹配电阻和电容，如下图所示。
??1>R1短路，C不焊接时，如图3所示波形：

???图3

??2>焊接R1，不焊接C波形如图4所示：
???图4
??与图3相比，时钟信号的振荡更为明显，因为R一对时钟信号的高频分量有一定的衰减作用。
??3>短接R1，焊接C3时，波形如图5所示：

???图5
??图5与图3相比，因为电容焊接C3.时钟信号的波形更光滑，容量小C时钟信号的边缘没有明显减慢，从而提高了时钟信号的质量。
??4>R1和C同时焊接，波形如图6所示：

???图6
??看到这里，你感到惊讶吗？焊接后的波形是你想要的波形吗？时钟波形显著改善，当然，只要你有耐心，你也可以微调参数，使波形更好。作者在这里测试，感兴趣的朋友也可以继续调整参数。
??你认为这就结束了吗？不，还没有，正确使用示波器也是一种技术，使用不当，会导致信号扭曲，从而误导自己。如图7所示，信号扭曲是由于使用不当引起的。

???图7
??你知道图7是在什么情况下测量的吗？直接上图，如图8所示：

???图8
??从图8中可以看出，电路板的电源采用导线，示波器探头的地线直接夹在线性电源的负极旋钮上，导致测量环路过大，导致信号失真。
??因此，正确使用仪器测量信号波形也是硬件工程师的基本技能。只有掌握正确的测量方法，才能正确反映信号的实际波形。
7.结语
??写在这里，真的结束了，希望对大家有所帮助。
??如果文章中有不方，请留言指正，共同进步！