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谐振器(resonator)

产生谐振频率的电子元件,是典型的无源器件,需要外围电路驱动其工作,产生时钟输出。

振荡器(oscillator)

是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能,其构成的电路叫振荡电路。振荡器是有源器件,振荡器比谐振器多了一个控制电路。

上图从左到右依次为:晶体谐振器,陶瓷谐振器,晶体振荡器,硅振荡器。

晶体谐振器

石英晶体俗称水晶,成分SIO2,是重要的压电材料,其主要特征是其原子或分子有规律排列,反映在宏观上是外形的对称性。在电场的作用下,晶体内部产生应力而形变,从而产生机械振动,获得特定的频率,利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。石英由于具备天然的高品质因子“Q”,这使得晶体能在整个工作温度和电压范围内都保持很高的精确度和频率稳定性。

优点:信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的片子,而且价格通常也较低。晶体谐振器的精度为1PPM(百万分之一)至100PPM。

缺点:晶体谐振器是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来。晶体谐振器相对于晶体振荡器而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。

晶体谐振器有一些等效参数,不同的使用环境可能会有不同的要求,选用时还要考虑环境温度、负载电容、频率精度等要求,这就要求外围振荡电路的参数要加一些控制才能输出稳定的频率。

陶瓷谐振器

陶瓷谐振器是一种用于在特定频率产生振荡的压电式陶瓷设备。制造这种设备所用的材料在生产过程期间会激发谐振特性。由于这种谐振特性是处于生产误差范围内的,并且它的品质因数远远低于石英的品质因数,因此陶瓷谐振器所能提供的频率稳定性不如晶体谐振器。通常陶瓷谐振器用于对成本较低且对性能要求不高的场合。

优点:同晶体相比,陶瓷谐振器的成本只有晶体的一半并且尺寸较小。

缺点:同晶体相比,欠缺频率和温度稳定性。其精度较差,大概在1%至0.1%之间。

陶瓷谐振器的典型初始精度在0.5%至0.1%范围内,老化或温度变化所致的漂移可能改变这一精度范围。廉价陶瓷谐振器的公差只有±1.1%,较高端的汽车精度则分别为±0.25%和±0.3%。未来的应用在于汽车CAN(控制器局域网络)总线应用,工作温度为-40°C至+125°C。频率为200 KHZ至约1 GHZ的低成本陶瓷谐振器适用于对时序要求不严格的嵌入系统。陶瓷器件起动较快,一般体积小于石英器件。它们也更能承受冲击与振动。

所有谐振元件对比:

晶体振荡器

晶体振荡器的振荡频率受石英晶体控制,它是典型的有源器件,自身就有内置电路,提供较稳定的时钟输出。晶体振荡器一般有4只引脚,1-NC 、2-GND 、3-OUT、 4-VCC,它是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件。

优点:晶体振荡器信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波,通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可),不需要复杂的配置电路。对于时序要求敏感的应用,晶体振荡器的性能相对较好。

缺点:相对于晶体谐振器,晶体振荡器的缺陷是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高。另外石英振荡器要花较长的起动时间。

晶体振荡器相比于无源晶体通常体积较大,随着工艺的改善,现在有的晶体振荡器是表贴的,体积和晶体谐振器相当。

硅振荡器

硅振荡器,这种完全集成的振荡元件是最简单的时钟源。这些器件可产生规定频率的方波,可直接送入单片机的时钟输入。硅振荡器并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率,而是基于一个内部的RC时间常数。这样的设计使硅器件对于外部机械作用不敏感。与传统振荡器不同的是,没有裸露在外的高阻抗节点,这样使硅振荡器可以承受更大的湿度和EMI影响。硅振荡器不需要严格匹配的定时元件和线路板走线。

补注:品质因子也称为“Q”,是指谐振器中存储的能量和消耗的能量之比,也定义为系统在谐振频率时电抗和串联电阻之比。