中财网网络推广职业规划:时钟晶振的品质选择
来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/05/04 05:00:11
来源:荷电科技-实时时钟芯片精度技术完整解决方案 | 发布时间:2011-6-29 | 浏览次数：0
n 晶振的品质与选择
1．晶振的作用是产生时钟信号，晶体谐振器与其它器件共同组成晶体振荡器。
2．晶体谐振器，要达到稳定性好，要求串联谐振电阻既要小又要一致性好，同时激励功率变化带来的阻抗变量越小，晶体的谐振点容易一致，这样外围电路调试比较容易，使产品更稳定
3．根据经验及晶体本身的特性总结出：
第一，在使用过程中，外围匹配电容（包括杂散电容）愈接近晶体标称电容，电路形成的振荡频率愈接近标称频率。电路的稳定性由晶体本身和外围电路共同决定，最佳电路应让工作频率高与标准频率8PPM左右，因为频率每年都要下降3PPM左右即年老化率，这样才能保证电路中振荡频率在5年内准确度很高；
第二，晶体在使用中还要具有一定的温度稳定性和抗震性及可焊性，如何实现？1）提高晶片加工精度，降低晶体封闭壳中氮气的露点，通过高低温测试试验；2）生产上，用优质胶，点匀和及时烤胶，检查剔除有崩边的晶片，通过跌落和机械振动测试（100-20000G）试验,提高包装保护；3）同时增加240±10℃和5S条件下的耐高温测试。
4．晶体振荡器分直插（DIP-14,DIP-8）和SMD贴片。直插式的一般为非三态线路，有需求可选三态规格，SMD式的为三态线路输出。在使用中DIP系列1#角在无特殊说明时为断开的，静电对DIP破坏性较小。SMD系列1#角内部相连，外接时需断开，静电对其破坏最大，容易击穿IC，须作静电保护；另外，SMD系列晶振在焊接过程中不要温度过高，时间过长，一般控制在260℃±5℃，少于5秒。还应注意SMD晶振两侧有的会有DLD测试线，焊接时不能与任意焊点相连。晶振在使用中电压分5V，3.3V，1.8V等不能兼容，否则会不稳定。
5．随着晶振的被广泛应用到各种高端设备中，对其要求也越来越高，压控晶体振荡器(VCXO),温补晶体振荡器（TCXO）及恒温晶体振荡器（OCXO）的需求逐步上升。VCXO是可以利用电压变化来调整输出频率。TCXO是包含一个温度感应电路，在温度发生变化是调整输出频率，是输出的频率随温度变化的偏差降低了，从而使其在一定的温度范围内保持较高的频率稳定度，一般精度要求在0-3PPM之内的做成这种。OCXO具有更高的稳定性，而且有更低的相位噪声，精度更高，它是通过内部的恒温槽维持晶体温度的稳定。
n 晶振的检验技术和质量控制
1.常规标准频率误差是+/-20PPM，阻抗是30-40KΩ，但我们实际检验控制为：
Φ3*8分为A:±5PPM /15KΩ；B:±10PPM /15KΩ；C:±15PPM /18KΩ
Φ2*6分为A:±5PPM /25KΩ；B:±10PPM /28KΩ；C:±15PPM /30KΩ
n 误差与准确度的表示方法和换算关系
误差和准确度就是偏离正确值的量化值。当误差比较小的时候，我们一般用百分之几、千分之几来表示。但时间和频率的误差一般是很小的，我们至少要用到百万分之一来表示，或者干脆科学记数法来表示，比如2.3E-9，就是表示2.3后面再向前移动9个小数点，也就是0.0000000023。另外，我们也常用多少年不差1秒来描述时间误差，常见的表示方法有：
1.ppm，ppm是parts per million的缩写，意思为百万分之一，即10的负6次方。
2.ppb，ppb是parts per billion的缩写，意思为十亿分之一，即10的负9次方。
3.科学表示法，即直接用10的负多少次方来表示，例如5.3乘10的负9次方可以写成5.3×10E-9，简写为5.3E-9。
4.每年误差多少秒，或者每多少年差1秒。它们之间的换算关系是：
1ppm=1000ppb=1E-6=每天误差0.09秒=每年误差31.5秒
1ppb=0.001ppm=1E-9=每天误差0.09毫秒=每年误差0.03秒=每32年误差1秒
每天误差1秒=11.6ppm=1.16E-5
每月误差1秒=0.39ppm=3.9E-7
每年误差1秒=0.032ppm= 32ppb=3.2E-8
n 衡量频率时间标准的指标参数
1.频率要稳定，不随温度等环境因素而变化。这个要求是首位的、必然的。即便温度补偿的晶体振荡器，在常温范围内（比如摄氏10度到35度）也有大约0.5ppm到2ppm的误差，做成钟表就相当于每年误差30秒左右。现在有些高精度的电子手表，年差在10秒之内，相当于0.3ppm，这是很不容易的高技术。为了追求更高的温度稳定性，恒温晶振应运而生。由于把内部的晶体包括振荡电路等都密封在一个温度相对恒定的环境下，因此受外界温度的影响大大减少，在室温下可以做到1ppb到10ppb的量级。除了温度以外，频率标准也不应该随大气压、湿度等条件而变化，尽管这些条件与温度比较起来占次要地位。
2.频率要稳定，不随时间而变化。这实际上就是标准的老化问题。频率尽管很准确也不随温度变化，但时间一长就变化了那也不行。因此老化率是另外一个重要指标。短期的老化率比较一天的变化，成为日老化率。中期的看月老化率，长期的看年老化率甚至看更长期的。
3.短期频率要稳定。短期不稳定的振荡器表现在不同时间的频率是不一样的。最常用的衡量间隔是1秒，称为秒稳，也就是连续以1秒为间隔测量相邻两次采样频率的变动，然后进行方均根的运算，得到所谓阿伦方差。一般好一些的恒温晶振这个变动不会超过0.1ppb，这已经超出绝大多数9位频率计的测量下限。但普通温补晶振的短期稳定性都不好，甚至达到10ppb以上，大多数原因是里面的补偿网络的热噪声引起的。有一个笑话，某人用过HP/Agilent53132A这个高档频率计后说不好，原因就是最后几位总是跳动。这正像高灵敏的收音机在没有电台的情况下噪音非常大的现象有同工异曲之处，你能说这样的收音机不好吗？最后几位数字的跳动主要是因为其内部标准是个很简单的温补晶振，再加上被测量的信号短期稳定度也不好造成的。作为标准，必须自己短期也非常稳定，才能在测量的时候让最后的显示位也不跳动。
4.准确度高。时间标准的准确度就是说频率实际值与真值的偏离程度。很多标准是可以微调的，但要注意的是，准确度必须以稳定度为基础，没有稳定的标准，调节的再好也是暂时的，因此，不要片面的追求准确度而忽略了更重要的稳定度。
5.其它。比如输出信号幅度波形好、体积小、功耗低、寿命长、工作环境宽等。这些对于频率标准来讲并不很重要，最重要的就是上面的三点或四点。
n 晶振的品质与选择
1．晶振的作用是产生时钟信号，晶体谐振器与其它器件共同组成晶体振荡器。
2．晶体谐振器，要达到稳定性好，要求串联谐振电阻既要小又要一致性好，同时激励功率变化带来的阻抗变量越小，晶体的谐振点容易一致，这样外围电路调试比较容易，使产品更稳定
3．根据经验及晶体本身的特性总结出：
第一，在使用过程中，外围匹配电容（包括杂散电容）愈接近晶体标称电容，电路形成的振荡频率愈接近标称频率。电路的稳定性由晶体本身和外围电路共同决定，最佳电路应让工作频率高与标准频率8PPM左右，因为频率每年都要下降3PPM左右即年老化率，这样才能保证电路中振荡频率在5年内准确度很高；
第二，晶体在使用中还要具有一定的温度稳定性和抗震性及可焊性，如何实现？1）提高晶片加工精度，降低晶体封闭壳中氮气的露点，通过高低温测试试验；2）生产上，用优质胶，点匀和及时烤胶，检查剔除有崩边的晶片，通过跌落和机械振动测试（100-20000G）试验,提高包装保护；3）同时增加240±10℃和5S条件下的耐高温测试。
4．晶体振荡器分直插（DIP-14,DIP-8）和SMD贴片。直插式的一般为非三态线路，有需求可选三态规格，SMD式的为三态线路输出。在使用中DIP系列1#角在无特殊说明时为断开的，静电对DIP破坏性较小。SMD系列1#角内部相连，外接时需断开，静电对其破坏最大，容易击穿IC，须作静电保护；另外，SMD系列晶振在焊接过程中不要温度过高，时间过长，一般控制在260℃±5℃，少于5秒。还应注意SMD晶振两侧有的会有DLD测试线，焊接时不能与任意焊点相连。晶振在使用中电压分5V，3.3V，1.8V等不能兼容，否则会不稳定。
5．随着晶振的被广泛应用到各种高端设备中，对其要求也越来越高，压控晶体振荡器(VCXO),温补晶体振荡器（TCXO）及恒温晶体振荡器（OCXO）的需求逐步上升。VCXO是可以利用电压变化来调整输出频率。TCXO是包含一个温度感应电路，在温度发生变化是调整输出频率，是输出的频率随温度变化的偏差降低了，从而使其在一定的温度范围内保持较高的频率稳定度，一般精度要求在0-3PPM之内的做成这种。OCXO具有更高的稳定性，而且有更低的相位噪声，精度更高，它是通过内部的恒温槽维持晶体温度的稳定。
n 晶振的检验技术和质量控制
1.常规标准频率误差是+/-20PPM，阻抗是30-40KΩ，但我们实际检验控制为：
Φ3*8分为A:±5PPM /15KΩ；B:±10PPM /15KΩ；C:±15PPM /18KΩ
Φ2*6分为A:±5PPM /25KΩ；B:±10PPM /28KΩ；C:±15PPM /30KΩ
n 误差与准确度的表示方法和换算关系
误差和准确度就是偏离正确值的量化值。当误差比较小的时候，我们一般用百分之几、千分之几来表示。但时间和频率的误差一般是很小的，我们至少要用到百万分之一来表示，或者干脆科学记数法来表示，比如2.3E-9，就是表示2.3后面再向前移动9个小数点，也就是0.0000000023。另外，我们也常用多少年不差1秒来描述时间误差，常见的表示方法有：
1.ppm，ppm是parts per million的缩写，意思为百万分之一，即10的负6次方。
2.ppb，ppb是parts per billion的缩写，意思为十亿分之一，即10的负9次方。
3.科学表示法，即直接用10的负多少次方来表示，例如5.3乘10的负9次方可以写成5.3×10E-9，简写为5.3E-9。
4.每年误差多少秒，或者每多少年差1秒。它们之间的换算关系是：
1ppm=1000ppb=1E-6=每天误差0.09秒=每年误差31.5秒
1ppb=0.001ppm=1E-9=每天误差0.09毫秒=每年误差0.03秒=每32年误差1秒
每天误差1秒=11.6ppm=1.16E-5
每月误差1秒=0.39ppm=3.9E-7
每年误差1秒=0.032ppm= 32ppb=3.2E-8
n 衡量频率时间标准的指标参数
1.频率要稳定，不随温度等环境因素而变化。这个要求是首位的、必然的。即便温度补偿的晶体振荡器，在常温范围内（比如摄氏10度到35度）也有大约0.5ppm到2ppm的误差，做成钟表就相当于每年误差30秒左右。现在有些高精度的电子手表，年差在10秒之内，相当于0.3ppm，这是很不容易的高技术。为了追求更高的温度稳定性，恒温晶振应运而生。由于把内部的晶体包括振荡电路等都密封在一个温度相对恒定的环境下，因此受外界温度的影响大大减少，在室温下可以做到1ppb到10ppb的量级。除了温度以外，频率标准也不应该随大气压、湿度等条件而变化，尽管这些条件与温度比较起来占次要地位。
2.频率要稳定，不随时间而变化。这实际上就是标准的老化问题。频率尽管很准确也不随温度变化，但时间一长就变化了那也不行。因此老化率是另外一个重要指标。短期的老化率比较一天的变化，成为日老化率。中期的看月老化率，长期的看年老化率甚至看更长期的。
3.短期频率要稳定。短期不稳定的振荡器表现在不同时间的频率是不一样的。最常用的衡量间隔是1秒，称为秒稳，也就是连续以1秒为间隔测量相邻两次采样频率的变动，然后进行方均根的运算，得到所谓阿伦方差。一般好一些的恒温晶振这个变动不会超过0.1ppb，这已经超出绝大多数9位频率计的测量下限。但普通温补晶振的短期稳定性都不好，甚至达到10ppb以上，大多数原因是里面的补偿网络的热噪声引起的。有一个笑话，某人用过HP/Agilent53132A这个高档频率计后说不好，原因就是最后几位总是跳动。这正像高灵敏的收音机在没有电台的情况下噪音非常大的现象有同工异曲之处，你能说这样的收音机不好吗？最后几位数字的跳动主要是因为其内部标准是个很简单的温补晶振，再加上被测量的信号短期稳定度也不好造成的。作为标准，必须自己短期也非常稳定，才能在测量的时候让最后的显示位也不跳动。
4.准确度高。时间标准的准确度就是说频率实际值与真值的偏离程度。很多标准是可以微调的，但要注意的是，准确度必须以稳定度为基础，没有稳定的标准，调节的再好也是暂时的，因此，不要片面的追求准确度而忽略了更重要的稳定度。
5.其它。比如输出信号幅度波形好、体积小、功耗低、寿命长、工作环境宽等。这些对于频率标准来讲并不很重要，最重要的就是上面的三点或四点。