基于晶振的無穩態觸發器設計介紹 - 壹芯微

在計算機系統和通信系統中，控制和協調整個系統的矩形脈沖信號源主要依靠無穩態觸發器提供。構成無穩態觸發器的電路很多，其中由集成門電路構成的無穩態觸發器，其電路結構簡單，應用廣泛。基于集成門電路的無穩態觸發器種類較多，大致可分為積分型無穩態觸發器和非對稱式及對稱式微分型無穩態觸發器。但這些無穩態觸發器都有一個共同的缺點：振蕩頻率的穩定度和準確性不太高，其主要原因一是轉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;二是電路的翻轉靠電容充放電電平逐漸趨于門限電壓，而充放電是按指數規律，變化較緩慢，因此轉換電平微小變化或干擾都會嚴重影響振蕩周期。根據以上情況，本文設計了一種振蕩頻率穩定、性能可靠的無穩態觸發器。

1.石英晶體工作原理

石英晶體諧振器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件，有極好的選頻特性。所謂壓電效應即是：在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形;反之，在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上產生電場。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常小，但當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，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。所以，其內部電路可用一組串聯的電阻R、電容C、電感L與電容C0并聯來等效，如圖1(a)所示，圖1(b)為其符號表示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容C0稱為靜電電容。當晶體振蕩時，機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，因此回路的品質因數Q很大，可達104-106。

圖1等效電路、符號和特性

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的的串聯諧振頻率，fp是石英晶體并聯諧振頻率。因為在石英晶體呈電感性所對應的f0-fp內，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償能力。所以石英晶體工作頻率常定在f0或f0—fp內：工作頻率常為f0，晶體阻抗為零;工作頻率常在f0一fp內，晶體呈電感性，此時還可通過串接一個電容來微調輸出頻率。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，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定度，完全可以滿足大多數數字系統對頻率穩定度的要求。

2.無穩態觸發器設計

圖2簡單無穩態觸發器組成

利用石英晶體構成的振蕩器不僅頻率穩定性好而且選擇性也很好，所以目前普遍采用在由集成門電路組成的無穩態觸發器中接入石英晶體，組成石英晶體無穩態觸發器，來實現高精度的頻率要求。其電路通常有串聯型石英晶體無穩態觸發器電路和并聯型石英晶體無穩態觸發器電路。在串聯型電路中，當外加電壓的頻率fs等于石英晶體的固有頻率f0時，石英晶體的等效阻抗為零，電路的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率，石英晶體相當于作為放大電路的反饋網絡，并起選頻作用。以圖2(b)、圖2(c)所示的無穩態觸發器為例，在其電容C的輸入端串接一個石英晶體便構成了微分型石英晶體無穩態觸發器;在并聯型電路中，石英晶體的阻抗呈電感性，則將它與外接電容構成電容三點式無穩態觸發器電路。

由于石英晶體在工作中它的二極呈一交變壓電，這使之具有反相器的輸人信號與輸出信號之間的反相關系，因此由之產生一種把石英晶體與反相器并接的設計方案。此時只要給反相器并聯一個偏置電阻，使反相器工作在傳輸特性的線性放大區，就能組成了一個結構最簡單的石英晶體無穩態觸發器，如圖2(a)所示。該電路的輸出頻率與石英晶體的固有頻率完全相同，不可微調，為此可用與石英晶體并接、串接，或既并接又串接小電容的方法，通過改變電容的值來實現頻率的微調，如圖2(b)、圖2(e)所示。在這些電路圖中，可以發現，圖2(d)、圖2(e)與圖2(b)所示的“非對稱式微分型無穩態觸發器"在結構上相關。二者的區別是圖2(d)用石英晶體替代圖2(b)中的反相器G0，而圖2(e)則是用石英晶體取代圖2(b)中的反相器G1。

由此我們得到啟發：由于石英晶體在工作時，其二端的極性相反，具有選頻兼移相180°的作用，因此可用來替代圖2(b)所示的“非對稱式微分型無穩態觸發器”中的反相器。這種替代法也同樣適用于對稱式微分型無穩態觸發器。經計算機模擬和實際電路驗證，如把圖2(c)所示的對稱式微分型無穩態觸發器中的任一反相器替換成石英晶體，即可實現石英晶體無穩態觸發器。但這一替代法對于圖2(a)所示的積分型無穩態觸發器就不適用，因為石英晶體替代任何一個反相器后都不可能使它兩端的信號相位相差180°。

另一方面，由石英晶體的電抗頻率特性可知，石英晶體的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率f0，與外接電阻、電容的參數無關，因此在選頻電路中，常將與晶體串聯的電容省去。如在圖2(a)中，雖不能用石英晶體取代任一反相器，但可把石英晶體與電容C串聯來選取穩定可靠的頻率，而且還可通過電容C來適當微調輸出頻率。考慮到石英晶體的振蕩足夠穩定，可以將微調電容C省去，由此便可得到圖3所示的“積分型石英晶體環形多諧振蕩器”，蘇即積分型石英晶體無穩態觸發器。上述過程從形式上看是用石英晶體直接取代電容，實質上是利用石英晶體的選頻作用和電抗頻率特性。同理，也可在圖2(b)、(c)所示的對稱式(或不對稱式)微分型無穩態觸發器中，將其中的一個電容用石英晶體取代后實現另一種石英晶體微分型無穩態觸發器。

圖3積分型石英晶體環形多諧振蕩器

結語

以上就是基于晶振的無穩態觸發器設計介紹了。本文將通過對石英晶體振蕩器和基于集成門電路構成的無穩態觸發器工作原理的深入研究，探索一系列電路結構更簡單的石英晶體無穩態觸發器，并運用Elec-tronicsWorkbenchEDA5.Q計算機軟件仿真技術和實際電路測試技術驗證其結果的正確性。

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