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详解晶振的无稳态触发器原理

时间:2021-11-25

  系统和通信系统中,控制和协调整个系统的矩形脉冲信号源主要依靠无稳态触发器提供。构成无稳态触发器的很多,其中由集成门电路构成的无稳态触发器,其电路结构简单,应用广泛。基于集成门电路的无稳态触发器种类较多,大致可分为积分型无稳态触发器和非对称式及对称式微分型无稳态触发器。但这些无稳态触发器都有一个共同的缺点:振荡频率的稳定度和准确性不太高,其主要原因一是转换电平由决定,而阈值电压本身极容易受温度、电源电压变化的影响;二是电路的翻转靠充放电电平逐渐趋于门限电压,而充放电是按指数规律,变化较缓慢,因此转换电平微小变化或干扰都会严重影响振荡周期。根据以上情况,本文设计了一种振荡频率稳定、性能可靠的无稳态触发器。

  石英晶体谐振器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,有极好的选频特性。所谓压电效应即是:在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形;反之,在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上产生电场。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常小,但当外加交变电压信号的频率为某--特定值时,振幅会明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。所以,其内部电路可用一组串联的电阻R、电容C、电感L与电容C0并联来等效,如图1(a)所示,图1(b)为其符号表示。当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容C0称为静电电容。当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效,晶片的弹性可用电容C来等效,晶片振动时因摩擦而造成的损耗可用电阻R来等效。由于晶片的等效电感L很大,而电容C很小,电阻R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达104-106

  石英晶体的电抗特性如图1(c)所示,其中f0是电容C和电感L的的串联谐振频率,fp是石英晶体并联谐振频率。因为在石英晶体呈电感性所对应的f0-fp内,英晶体具有极陡峭的电抗特性曲线,对频率变化具有极灵敏的补偿能力。所以石英晶体工作频率常定在f0或f0—fp内:工作频率常为f0,晶体阻抗为零;工作频率常在f0一fp内,晶体呈电感性,此时还可通过串接一个电容来微调输出频率。一般来说,fp一f0之差很小,例如对f0为几MHz的石英晶体,fp一f0不过几十至几百赫[兹]。即每一块石英晶体的谐振频率基本上是固定的。所以,晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式。几何形状、尺寸有关,而且可以做得很精确,因此利用石英晶体组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度,完全可以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。

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