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如何使电脑主板中的晶体振荡器长期稳定发挥作用?
yijindz | 2016-04-27 15:00:10    阅读:825   发布文章

     电脑主板一般都会有2-3个石英晶振,特别是一款圆柱晶振,很多人都会问到主板上面的晶振到底是起到什么作用?有人专注提到这款晶振是做什么用,我有回答这款晶振是32.768K,行业里面简称为表晶或者是音叉晶体,同时我有注明说到这款是时钟晶振,是用来控制时间等应用的,但还是很多人看的很模糊,很不明白,下面简单的介绍一下

概括来讲主板晶振的作用在于产生原始的时钟频率,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。電脑主板用的是石英晶体振荡器又称之为有源晶振。微控制器的时钟源可以分为两类:基于机械谐振器件的时钟源,如晶振、陶瓷谐振器槽路;RC(电阻、电容)振荡器。一种是振荡器配置适用于晶振和陶瓷谐振器槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。具体来说主板中常见晶振种类共有5种,下面概述他们起到的主要作用

1)32.768KHZ晶振,为实时晶振,工作电压为0.4V左右,系统时间基准时钟,上电之前为南桥内部提供工作所需时钟;

2)24.576M用于音效芯片,工作电压为1.1--2.2V;

3)27M 为BGA内部VGA部分提供相关工作时钟;

4)4.318MHZ晶振为时钟晶振,工作电压为1.1--1.6V;

5)25M用于网卡部分,为网卡提供工作时钟;也用于Nvidia芯片上电时序中所需的时钟。工作电压为1.1--2.2V。

计算机都有个计时电路,尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备,但它们实际上并不是通常意义的时钟,把它们称为计时器(timer)可能更恰当一点。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,一个计数器和一个保持寄存器。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(clocktick)。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。

    在使用时,陶瓷谐振器槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感,但在过驱动时很容易产生频率漂移(甚至可能损坏)。影响振荡器工作的环境因素有:电磁干扰(EMI)、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化,增加不稳定性,并且在有些情况下,还会造成振荡器停振。

    上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出,并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器(硅振荡器)。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高,多数情况下能够提供与陶瓷谐振器槽路相当的精度。选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。

      CMOS放大器功耗与工作频率成正比,可以表示为功率耗散电容值。比如,HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时,相当于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容,整个电源电流为2.2mA。陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容,相应地也需要更多的电流。相比之下,晶振模块一般需要电源电流为10mA ~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能,范围可以从低频(固定)器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器,如MAX7375,工作在4MHz时只需不到2mA的电流。

    在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素:精度、成本、功耗以及环境需求。电子产品在目前的趋势发展下,绝大部分产品都会选择使用石英晶振系列产品,而选用陶瓷晶振的产品是越来越少,原因有几点,其一是普通插件石英晶振价格没有以前那么高,以低价格高精度的冲击陶瓷晶振市场,其二是石英晶振的高精准度和耐温范围要比陶瓷晶振好,陶瓷晶振精度往往达不到预期的效果,所有后续市场陶瓷晶振将会被慢慢的淘汰。

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