两非门晶振振荡电路的设计

吴 振，赵 军，潘巧智，金俊康，王艺铮

(辽宁科技学院 曙光大数据学院，辽宁 本溪 117004)

振频率检测是系统测试精度的重要保证，其核心部分为晶振振荡电路的设计。

在文献〔1〕、〔2〕中提出了基于如下结构的低频振荡电路：

图1 单非门振荡电路

该电路仅用了一个非门，具有较高的经济性，但是实际应用中，发现该电路对低频晶振，如32.768 KHz、40 KHz的晶振存在参数不易调节，不容易起振现象。同时负载电容C1、C2的存在，导致了振荡频率有所偏差。

针对上述不足，本文提出了一种两非门的振荡电路。

1 电路设计

图2中，整个电路运用一片74HC04，3 M欧姆电阻为每个非门提供了静态工作点，该静态工作点大约为2.5 V，保证两个非门处于线性放大状态。C1用于隔直通交。

图2 两非门低频振荡电路

二非门实现了正反馈，根据文献〔3〕晶振的等效阻抗在其串联谐振时候为最小，于是在U1A的输入端获得最大输入值，再通过两级正反馈后，获得更大的幅值，理论上具备了起振条件。

图3为晶振的等效模型。Co为静电容；L为动态电感；C为动态电容；R为动态电阻。

图3 晶振等效电路图

根据文献〔4〕、〔5〕，低频晶振的串联等效阻抗一般为40 K欧姆，大于1 MHz的晶振串联等效阻抗大约为200欧姆以下，455E晶振大约40欧姆以下。

假设U1A的输入阻抗为Rin，串联谐振阻抗为Rs，则反馈系数F为：

F=Rin/(Rin+Rs)

(1)

二非门都处在放大状态，设整体放大倍数为Av，系统振荡需要满足如下起始条件：

Av*Rin/(Rs+Rin)>1

(2)

74 HC系列其输入阻抗Rin一般为M欧姆级别，对于低频晶振而言，其反馈系数F较大(接近1)，起振容易。但是由于74 HC系列的Tpd较大，在实践中，发现图2电路对于1 MHz以上的晶振起振不稳定或者无法起振。

74 LS系列的输入阻抗较小，对于低频晶振，其反馈系数F较小，不容易起振；但是，1 MHz以上的晶振的串联谐振阻抗较小；而74 LS系列数字门的Tpd很小，可以选用74 LS系列的非门替代图2的设计，如图4所示。

图4 两非门中频振荡电路

2 测试结果

对电路的测试条件如下：

1)VCC为5.0 V;

2)电阻采用1/8 W，电容为陶瓷电容。

测试结果如下：

图5(1) 32.768 KHz晶振输出波形(低频)

图5(2)40 KHz晶振输出波形(低频)

图5(3) 455 KHz晶振输出波形(中频)

图5(4) 2.4 576 MHz晶振输出波形(中频)

图5(5)12 MHz晶振输出波形Vpp=4.4 V

图5(6) 24 MHz晶振输出波形Vpp=3.9 V

3 结论

(1)电路的通用性较好，经过对不同厂家的晶振测试，都能正常起振，无需额外微调。

(2)电路的稳定性好，振荡频率稳定，且基本与标称值一致。

(3)24 MHz晶振的反馈减少，于是出现正弦波，而不是方波，但是幅值满足一般要求。

(4)由于没有单非门振荡电路的负载电容，因此振荡精度有提升。