詳解晶振的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理

在計算機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中，控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的矩形脈沖信號源主要依靠無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器提供。構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路很多，其中由集成門電路構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其電路結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。基于集成門電路的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器種類較多，大致可分為積分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和非對稱式及對稱式微分型無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。但這些無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器都有一個共同的缺點(diǎn)：振蕩頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性不太高，其主要原因一是轉(zhuǎn)換電平由閾值電壓決定，而閾值電壓本身極容易受溫度、電源電壓變化的影響;二是電路的翻轉(zhuǎn)靠電容充放電電平逐漸趨于門限電壓，而充放電是按指數(shù)規(guī)律，變化較緩慢，因此轉(zhuǎn)換電平微小變化或干擾都會嚴(yán)重影響振蕩周期。根據(jù)以上情況，本文設(shè)計了一種振蕩頻率穩(wěn)定、性能可靠的無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

1.石英晶體工作原理

石英晶體諧振器是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，有極好的選頻特性。所謂壓電效應(yīng)即是：在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械變形;反之，在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常小，但當(dāng)外加交變電壓信號的頻率為某--特定值時，振幅會明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。所以，其內(nèi)部電路可用一組串聯(lián)的電阻R、電容C、電感L與電容C0并聯(lián)來等效，如圖1(a)所示，圖1(b)為其符號表示。當(dāng)晶體不振動時，可把它看成一個平板電容C0稱為靜電電容。當(dāng)晶體振蕩時，機(jī)械振動的慣性可用電感L來等效，晶片的彈性可用電容C來等效，晶片振動時因摩擦而造成的損耗可用電阻R來等效。由于晶片的等效電感L很大，而電容C很小，電阻R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104-106

石英晶體的電抗特性如圖1(c)所示，其中f0是電容C和電感L的的串聯(lián)諧振頻率，fp是石英晶體并聯(lián)諧振頻率。因為在石英晶體呈電感性所對應(yīng)的f0-fp內(nèi)，英晶體具有極陡峭的電抗特性曲線，對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。所以石英晶體工作頻率常定在f0或f0—fp內(nèi)：工作頻率常為f0，晶體阻抗為零;工作頻率常在f0一fp內(nèi)，晶體呈電感性，此時還可通過串接一個電容來微調(diào)輸出頻率。一般來說，fp一f0之差很小，例如對f0為幾MHz的石英晶體，fp一f0不過幾十至幾百赫[茲]。即每一塊石英晶體的諧振頻率基本上是固定的。所以，晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式。幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得很精確，因此利用石英晶體組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度，完全可以滿足大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)對頻率穩(wěn)定度的要求。

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