1. 基于晶振的正弦波电路
电脑主板一般都会有2-3个石英晶振,很多人都会问到主板上面的晶振到底是起到什么作用,简单的说电脑主板的晶振是用来控制时间等应用的,计算机都有个计时电路,把它们称为计时器。
计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体,石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡,这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶振相关联,一个保持寄存器和一个计数器。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时,产生一个中断,计数器从保持计数器中重新装入初始值.这种方法使得对一个计时器进行编程,令其每秒产生60次中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振,较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能略。
一般的晶振的负载电容为15p或12.5p,如果再考虑元件引脚的等效输入电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。用万用表测量晶体振荡器是否工作的方法:测量两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半,比如工作电压是51单片机的+5V则是否是2.5V左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚,这个电压有明显变化,证明是起振了的。
2. 用晶振的可调频率的正弦波产生电路图
不是越高越好。
晶振的频率不能太高的原因是频率越高误差会越大。
晶振是通过电激励来产生固定频率的机械振动,而振动又会产生电流反馈给电路,电路接到反馈 后进行信号放大,再次用放大的电信号来激励晶振机械振动,晶振再将振动产生的电流反馈给电路,如此这般。当电路中的激励电信号和晶振的标称频率相同时,电路就能输出信号强大,频率稳定的正弦波。整形电路再将正弦波变成方波送到数字电路中供其使用。
3. 晶振输出是正弦波还是方波
晶振只是一个元件,而振荡器一由几个元件组成的电路。晶振全称为晶体振荡器,其作用在于产生原始时钟频率,这个频率 经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。只是一个元件。晶振本身是由通电而产生机械振动的,但电感和电容组成的谐振回路是电场与磁场的不断转换,而这个频率是固定的,输出的就是固定频率的脉冲信号,石英钟就是利用这种固定的频率来计时的。振荡器是用来产生重复电子讯号(通常是正弦波或方波)的电子元件。其构成的电路叫做振荡器。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。
4. 晶振 正弦波
1. 用万用表 ( R×10K档)测晶振两端的电阻值:若为无穷大,说明晶振无短路或漏电,在将试电笔插入市电插孔内,用手指捏住晶振的任一引脚,将另一引脚碰触试电笔顶端的金属部分,若试电笔灯泡发红,说明晶振是好的;若不亮,说明晶振损坏(请注意安全);
2. 用数字电容表(或数字万用表的电容档)测量其电容,一般损坏的晶振容量明显减小(不同的晶振其正常容量具有一定范围,可测量好的得到,一般在几十到几百PF;
3. 贴近耳朵轻摇,有声音就一定是坏的(内部的晶片已经碎了,还能用的话频率也变了);
4. 测试输出脚电压。一般正常情况下,大约是电源电压的一半。因为输出的是正弦波(峰峰值接近源电压),用万用表测量时,就差不多是一半啦;
5. 用替换法或示波器测量。
5. 正弦电路谐振
谐振频率指的是在含有电容和电感的电路中,如果电容和电感并联,可能出现于某个很小的时间段内:电容的电压逐渐升高,而电流却逐渐减少;电感的电流却逐渐增加,电感的电压却逐渐降低。
而在另一个很小的时间段内:电容的电压逐渐降低,而电流却逐渐增加;电感的电流却逐渐减少,电感的电压却逐渐升高。
电压的增加可以达到一个正的最大值,电压的降低也可达到一个负的最大值,同样电流的方向在这个过程中也会发生正负方向的变化,称为电路发生电的振荡,当谐振电路外部输入电压的正弦频率达到某一特定频率(即该电路的谐振频率)时,谐振电路的感抗与容抗相等,Z=R,谐振电路对外呈纯电阻性质,即为谐振。发生谐振时,谐振电路将输入放大Q倍,Q为品质因数。
关系
对于二阶系统,从系统的闭环频率响应的Mr和ωr,可精确地计算出二阶系统的时间响应.对于高阶系统,若存在一对共轭闭环主导极点,则可将二阶系统的时间响应与频率响应的关系扩展到高阶系统,这时谐振频率ωr和谐振幅值Mr由对应的高阶系统的共轭闭环主导极点来定出。
这时,高阶系统的阶跃瞬态响应与频率响应之间有如下关系:
1.Mr表征系统的相对稳定度.如果Mr的值在1.0~1.4(即0~3dB)范围内,则相当于等效阻尼比ζ为0.4~0.7的范围内,可以获得满意的瞬态性能.当Mr的值大于1.5时,阶跃瞬态响应将出现几次超调振荡.一般地,Mr的值越大,相应的瞬态响应的超调量就越大.
2.ωr表征瞬态响应的速度.ωr的值越大,时间响应就越快,即上升时间随ωr成反比变化.
3.对于弱阻尼系统,谐振频率ωr与阶跃瞬态响应的阻尼自然频率ωa很接近.。
6. 晶振电路分析
晶振电路严格的说是有三种: 1、最普通的模式,也就是外接无源晶振,然后每个晶振的一个脚都接一个20-30pF的电容到地。 2、外接振荡源的模式,也就是利用有源晶振,脉冲输出后直接接XTAL1,然后XTAL2接地。 3、内置RC振荡电路法,有一些单片机比如AVR系列的,都内置有RC振荡电路,可以实现内部1M,2M,4M,8M振荡电路。不过我个人感觉这种振荡电路的精度比如外接晶振。