在以MCU為基礎的電子系統中，往往同時存在內部高速與低速、外部高速與低速等多種不同的基礎頻率信號，以及倍頻和分頻信號，以執行指令、數據存取，和進行外部通訊接口。即使一個簡單的嵌入式控制器，時鐘頻率也會高達幾十MHz，系統中的其他組件可能各有自己不同的頻率要求。例如，以太網絡控制器需要25 MHz的頻率，而大多數顯示設備的實時時鐘（RTC）則需要32.768 kHz，射頻（RF）系統的頻率需要更準確，以實現端對端通訊并過濾掉不需要的信號和噪聲。

　　多樣化的時鐘源

　　MCU應用廣泛，應用場景豐富多彩，工作頻率各不相同，電路配置參數比較復雜。其中，振蕩器除了提供特定頻率外，還必須滿足其他需求，如串行或無線接口注重頻率精度和穩定性。低功耗表現對手持或電池供電的設備十分必要，RTC尤其如此，因為即使在低功耗或待機模式下，RTC電路始終處于有效狀態。當然，成本、封裝形式和外形尺寸也非常重要。

圖1：MCU的時鐘源

　　從基礎電路看，任何振蕩器都使用某種諧振（XTAL）或微調電路作為時鐘源，并搭配反饋元件產生特定的頻率輸出。其中，微調電路可以電阻電容（RC）或電感電容（LC）網絡為基礎。這些裝置較為簡單，且能在寬廣的范圍內變更頻率。不過，設計一個準確的RC或LC振蕩器，需要使用昂貴的精確組件。MEMS硅振蕩器就是利用特制的RC網絡作為起振源，再組合其他補償電路和調節技術來提高頻率準確度和穩定性。常見的石英晶體諧振器（XTAL）是一種精密諧振組件。早期工藝是將壓電效應的晶體切割為兩個平行的晶面，并在其上沉積金屬接點，然后封裝成諧振器元件。現在的晶振開始采用基于半導體工藝的MEMS技術和激光加工技能，可制造500MHz的高基頻、高可靠、低功耗的小型化產品，不再需要倍頻操作。晶體諧振器具備很高的質量（Q）因子，這代表頻率是精確定義且非常穩定，因此石英晶振是低成本、高準確度振蕩器的基礎。

　　XTAL與振蕩器（XO）對比

　　振蕩器電路通常會整合到需要頻率信號的裝置內。例如，許多MCU和類似裝置都有兩個接腳，用戶在上面簡單地連接一個晶體諧振器和一對陶瓷電容器，就實現了振蕩器電路。

圖2：振蕩器組件和雜散電容

　　需要注意的是，振蕩電路的總負載電容（CL）需要與晶體諧振器的指定CL相符。這是由用來匹配的陶瓷電容器加上晶體封裝、振蕩器輸入接腳和PCB的所有雜散電容的總和。要準確計算電路中的所有雜散電容和寄生電容并不容易，因此您可以先進行預估（通常在4至6pF左右），然后測量輸出頻率，以查看是否需要調整電容器的值。如果總CL大于指定CL，將會降低振蕩頻率。如果CL太低，則頻率將更高。如果CL的高低過于懸殊，則振蕩器可能根本無法啟動。一種更為簡單方案是購買現成的振蕩器模塊，該模塊整合了晶體諧振器，以及包括負載電容器等在內的所有需要的組件。這樣，用戶只需提供適合的電源供應器，就以合理的價格獲得了高效能的振蕩器。對于以太網絡接口或無線通信系統等要求準確和穩定頻率的產品應用，晶體振蕩器（XO）是不錯的選擇。

　　VCXO與TCXO的選擇

　　由于振蕩器的輸出頻率隨外部CL變化，建構能在很小范圍內調節輸出的晶體振蕩器成為可能。例如，這在接收器需要調整自己的頻率以符合接收信號的RF應用中非常實用。壓控晶振（VCXO）使用稱為變容器（或變容二極管）的裝置作為負載電容器。變容器的電容會隨施加的控制電壓而變化，進而改變振蕩頻率。VCXO的關鍵參數為“牽引率”，代表控制電壓范圍和頻率抖動。牽引率定義給定控制電壓變化時的頻率變化。較大的值表示振蕩器可以在較大的范圍內運作，但是較小的值表示較佳的穩定性和較低的相位噪聲。VCXO牽引率最大調整范圍通常約為+/-200ppm，控制電壓通常為0-2V或3V。VCXO頻率抖動會高于固定頻率振蕩器，尤其是在限制狀態運作時調整范圍的極端情況下。如果您在操作溫度范圍內要求的穩定性，比普通晶體振蕩器所能提供的更大，則可能需要使用溫度補償晶體振蕩器（TCXO）。這些也可以作為具有廣泛參數的現成模塊來提供。TCXO包含一個測量環境溫度，然后產生控制電壓以調整VCXO頻率的電路，以補償溫度變化所產生的影響。TCXO會根據晶體的溫度頻率響應曲線計算所需的控制電壓。TCXO模塊通常也包括自己的穩壓器，因此振蕩器不會受外部供應電壓變化的影響。總之，晶體諧振器（XTAL）和晶體振蕩器（XO）具有廣泛的參數和應用供用戶選擇，以滿足不同應用環境需求。由于大多數頻率器件都整合了完整的振蕩器電路，模塊話設計也有電壓控制或溫度補償選項，這讓選型變得非常簡單。如果需要更高頻率時，HFF高基頻晶振（HFF oscillator）是不錯的選擇。、



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