CN106156396B - 一种检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构，所述方法包括：采用环路增益仿真方法，设置所述频率发生器的扫描频率，给定所述环路电容、环路电感、反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚处获取环路增益曲线；然后改变所述反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，再一次启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚出获取环路增益曲线；重复以上过程，从而快速检测出在每一组参数值条件下所述晶体振荡器电路是否起振。采用本发明的检测方法可以快速有效地检测晶体振荡电路是否起振，整个仿真时间短，硬件资源占用少、仿真结果合理。

Description

一种检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构
技术领域
本发明涉及晶体振荡器技术领域，特别是涉及一种快速有效检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构。
背景技术
自20世纪20年代初国外第一台石英晶体振荡器问世至今，石英晶体振荡器技术已经日趋成熟。由于晶体振荡器的Q值很大，晶振天然就有很高的频率稳定度和优异的相位噪声性能，因此其应用非常广泛。晶振作为一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
而现如今使用石英晶体进行振荡以产生时钟讯号的数位电路，几乎均使用皮尔斯(pierce)振荡电路，因为它电路简单，工作有效而稳定，可靠性好，优于其他石英晶体振荡电路。皮尔斯(pierce)振荡电路的结构如图1所示，包括：晶体XTAL，所述晶体的两端分别连接第一负载电容C1和第二负载电容C2，所述第一负载电容C1和第二负载电容C2的另一端均连接至地；反馈电阻RB，所述反馈电阻RB并联于所述晶体XTAL的两端；反相放大器A，所述反相放大器A的输入端与所述反馈电阻RB的一端连接，所述反相放大器A的输出端通过一输出串联电阻RS与所述反馈电阻RB的另一端连接。要想获得高可靠性的晶体振荡电路，在设计电路时需要关注电路中元件及其元件参数。一般，在晶体振荡电路中容易出现如下几个问题：1)晶体过驱动(Overdriving)，这将导致射频辐射高、功耗高、晶体物理损伤大、可靠性低，晶体在谐波起振，或者不起振；2)环路增益小，与过驱动类似，驱动不足也会引起很多问题；3)起振时间长，对于低频晶振，起振时间长是一个普遍的问题，一般低频晶振的起振速度比高频晶振慢很多，原因之一也是环路增益小；4)温度和电压问题，PVT(工艺、电压、温度)对于皮尔斯振荡器电路时非常重要，温度过高和电压过低都将导致环路增益很小，进而导致起振慢甚至不起振。
为了使晶体振荡器电路正常工作，需要对内部和外部的元件进行优化。输出串联电阻RS、反馈电阻RB、第一负载电容C1、第二负载电容C2是外部元件，这几个元件的参数必须合适。另外，反相放大器是内部元件，应该具有合适的驱动强度。现有技术中，一般采用Spice仿真软件的瞬态模型进行仿真，来验证振荡器电路是否能起振。仿真的电路结构如图2所示，包括：晶体XTAL，所述晶体的两端分别连接第一负载电容C1和第二负载电容C2，所述第一负载电容C1和第二负载电容C2的另一端均连接至地；反馈电阻RB和反相放大器A，分别与所述晶体XTAL并联；所述反相放大器A的输入和输出端分别是仿真电路的信号输入端XIN和输出端XOUT。通过该仿真电路结构可以用来优化振荡电路中的元件参数，但是这种方法仿真精度高，但耗时太长，每次改变元件参数以及PVT值时，需要等待2～3小时启动下一次仿真，并且，这种仿真方法还需要浪费很多的硬件存储空间。图3展示的是在某一特定参数条件下利用现有的仿真方法获得的晶体振荡电路的起振波形图。
因此，提供一种快速检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构，用于解决现有技术中检测晶体振荡器电路是否起振的仿真方法耗时太长等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构，所述电路结构至少包括：
晶体，所述晶体的两端分别连接第一负载电容和第二负载电容，所述第一负载电容和第二负载电容的另一端均连接至地；
反馈电阻，所述反馈电阻并联于所述晶体的两端；
反相放大器，所述反相放大器的输出端与所述反馈电阻的一端连接，所述反相放大器的输入端通过一环路电感与所述反馈电阻的另一端连接；
环路电容，所述环路电容一端与所述反相放大器的输入端连接，另一端与一频率发生器连接。
作为本发明检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构的一种优化的方案，所述频率发生器的频率扫描范围包含所述晶体的工作频率。
作为本发明检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构的一种优化的方案，所述环路电容的电容值需足够大以达到隔直流通交流的目的，所述晶体的工作频率为30MHz，所述环路电容的电容值大于等于1e12法拉。
作为本发明检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构的一种优化的方案，所述环路电感的电感值需足够大以达到隔交流通直流的目的，所述晶体的工作频率为30MHz，所述环路电感的电感值大于等于1e12亨利。
本发明还提供一种检测晶体振荡器电路是否起振的方法，所述方法至少包括：
采用环路增益仿真方法，设置所述频率发生器的扫描频率，给定所述环路电容、环路电感、反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚处获取环路增益曲线；然后改变所述反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，再一次启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚出获取环路增益曲线；重复以上过程，从而快速检测出在每一组参数值条件下所述晶体振荡器电路是否起振。
作为本发明检测晶体振荡器电路是否起振的方法的一种优化的方案，相邻两次仿真过程之间间隔时间范围为1～2分钟。
作为本发明检测晶体振荡器电路是否起振的方法的一种优化的方案，所述环路增益大于10dB，晶体振荡器电路起振快，起振时间小于1毫秒；所述环路增益范围在0～5dB，晶体振荡器电路起振慢，起振时间大于2.5毫秒；所述环路增益小于0dB，晶体振荡器电路不起振。
作为本发明检测晶体振荡器电路是否起振的方法的一种优化的方案，所述参数值还包括工艺、工作电压和温度。
如上所述，本发明的检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构，包括：采用环路增益仿真方法，设置所述频率发生器的扫描频率，给定所述环路电容、环路电感、反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚处获取环路增益曲线；然后改变所述反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，再一次启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚出获取环路增益曲线；重复以上过程，从而快速检测出在每一组参数值条件下所述晶体振荡器电路是否起振。采用本发明的检测方法可以快速有效地检测晶体振荡电路是否起振，整个仿真时间短，硬件资源占用少、仿真结果合理。
附图说明
图1为现有技术中皮尔斯振荡电路结构示意图。
图2为现有技术中用来检测晶体振荡电路是否起振的仿真电路结构示意图。
图3为采用现有技术的检测方法获得的晶体振荡电路的起振波形图。
图4为本发明用来检测晶体振荡电路是否起振的仿真电路结构示意图。
图5为采用本发明的检测方法获得的环路增益曲线。
图6为采用现有的方法验证本发明获得的结果是否正确的起振波形图。
元件标号说明
1 晶体
2 第一负载电容
3 第二负载电容
4 反馈电阻
5 反相放大器
6 环路电感
7 环路电容
8 频率发生器
M 引脚
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构，如图4所示，所述电路结构至少包括：晶体1、第一负载电容2、第二负载电容3、反馈电阻4、反相放大器5、环路电感6、环路电容7以及频率发生器8。
所述晶体1是从石英晶体上按一定方位角切下来的薄片，这种晶体受到外加交变电场的作用时会产生机械振动。当交变电场的频率与晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，成为晶体振荡器。
所述晶体1的两端分别连接第一负载电容2和第二负载电容3，所述第一负载电容2和第二负载电容3的另一端均连接至地；所述反馈电阻4并联于所述晶体1的两端；所述反相放大器5的输出端与所述反馈电阻4的一端连接、输入端通过一环路电感6与所述反馈电阻4的另一端连接；所述环路电容7一端与所述反相放大器5的输入端连接，另一端与一频率发生器8连接。
所述频率发生器8的频率稻苗范围包含所述晶体的工作频率。不同的晶体1具有不同的工作频率，本实施例中，所述晶体1的工作频率为30MHz，频率发生器的扫描范围可以设为0～300MHz，这种情况下，只需关注30MHz频率下晶体1是否可以正常工作。
所述环路电容7的电容值需足够大以达到隔直流通交流的目的，所述晶体1的工作频率为30MHz，则所述环路电容7的电容值需大到不限制30MHz的频率通过即可。作为示例，所述环路电容7的电容值大于等于1e12法拉。优选地，本实施例中，所述环路电容7选择为1e12法拉。
同理，所述环路电感6的电感值需足够大以达到隔交流通直流的目的，若所述晶体1的工作频率为30MHz，则所述环路电感6的电感值需大到限制30MHz的频率通过即可。作为示例，所述环路电感6的电感值大于等于1e12法拉。优选地，本实施例中，所述环电感6选择为1e12亨利。
本发明利用上述的电路结构来检测晶体振荡器电路是否起振，检测的方法包括步骤：采用环路增益仿真方法，设置所述频率发生器的扫描频率，给定所述环路电容7、环路电感6、反馈电阻4、第一负载电容2、第二负载电容3的参数值，启动仿真过程，从所述环路电感6、反馈电阻4和晶体1的共同引脚M处获取环路增益曲线；然后改变所述反馈电阻4、第一负载电容2、第二负载电容3的参数值，再一次启动仿真过程，从所述环路电感6、反馈电阻4和晶体1的共同引脚M出获取环路增益曲线；重复以上过程，从而快速检测出在每一组参数值条件下所述晶体振荡器电路是否起振。
频率发生器的扫描频率范围根据晶体的工作频率设置，每设置一组参数值，启动一次仿真，其中，仿真参数值除了所述环路电容、环路电感、反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值之外，还包括工艺、工作电压和温度值。现有技术利用瞬态模型仿真检测晶体振荡器电路是否起振的方法中，每一次仿真到下一次仿真之间需要耗时2～3小时，而本发明由于采用的是环路增益仿真模型来检测晶体振荡器电路是否起振，使每一次仿真到下一次仿真之间的时间大大缩短，相邻两次仿真过程之间间隔的时间范围为1～2分钟。
如图5展示的是采用本发明的检测方法获得的环路增益曲线。从图5的曲线峰值可以看出，当从引脚M处获得的环路增益大于10dB时，晶体振荡器电路可以强有力的快速起振；当从引脚M处获得的环路增益在0～5dB范围内时，晶体振荡器电路可以起振弱且慢；当从引脚M处获得的环路增益小于0dB时，晶体振荡器电路不起振。
为了验证图5的结论的正确性，还可以利用现有技术中提供的方法来作进一步验证，如图6所示为采用现有的方法验证本发明获得的结果是否正确的起振波形图。结果显示与图5的结论基本吻合，所述环路增益大于10dB，晶体振荡器电路起振快，起振时间大概小于1毫秒；所述环路增益范围在0～5dB，晶体振荡器电路起振慢，起振时间大于2.5毫秒；所述环路增益小于0dB，晶体振荡器电路不起振。由此说明，本发明提供的检测晶体振荡器电路是否起振的方法快速且合理有效，节约时间和硬件资源成本。
综上所述，本发明提供一种检测晶体振荡器电路是否起振的方法和电路结构，所述方法包括：采用环路增益仿真方法，设置所述频率发生器的扫描频率，给定所述环路电容、环路电感、反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚处获取环路增益曲线；然后改变所述反馈电阻、第一负载电容、第二负载电容的参数值，再一次启动仿真过程，从所述环路电感、反馈电阻和晶体的共同引脚出获取环路增益曲线；重复以上过程，从而快速检测出在每一组参数值条件下所述晶体振荡器电路是否起振。采用本发明的检测方法可以快速有效地检测晶体振荡电路是否起振，整个仿真时间短，硬件资源占用少、仿真结果合理。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构，其特征在于，所述电路结构包括：
晶体，所述晶体的两端分别连接第一负载电容和第二负载电容，所述第一负载电容和第二负载电容的另一端均连接至地；
反馈电阻，所述反馈电阻并联于所述晶体的两端；
反相放大器，所述反相放大器的输出端与所述反馈电阻的一端连接，所述反相放大器的输入端通过一环路电感与所述反馈电阻的另一端连接；
环路电容，所述环路电容一端与所述反相放大器的输入端连接，另一端与一频率发生器连接。
2.根据权利要求1所述的检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构，其特征在于：所述频率发生器的频率扫描范围包含所述晶体的工作频率。
3.根据权利要求2所述的检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构，其特征在于：所述环路电容隔离直流电流且通过交流电流，所述晶体的工作频率为30MHz，所述环路电容的电容值大于等于1×1012法拉。
4.根据权利要求2所述的检测晶体振荡器电路是否起振的电路结构，其特征在于：所述环路电感隔离交流电流且通过直流电流，所述晶体的工作频率为30MHz，所述环路电感的电感值大于等于1×1012亨利。
5.一种利用如权利要求1～4任一项所述电路结构检测晶体振荡器电路是否起振的方法，其特征在于，所述方法包括：
采用环路增益仿真方法，设置所述频率发生器的扫描频率，给定参数值，所述参数值包括所述环路电容的电容值、所述环路电感的电感值、所述反馈电阻的电阻值、所述第一负载电容的电容值、所述第二负载电容的电容值，启动仿真过程，从所述环路电感、所述反馈电阻和所述晶体的共同引脚处获取环路增益曲线；然后改变所述反馈电阻、所述第一负载电容、所述第二负载电容的参数值，再一次启动仿真过程，从所述环路电感、所述反馈电阻和所述晶体的共同引脚出获取环路增益曲线；重复以上过程，从而快速检测出在每一组参数值条件下所述晶体振荡器电路是否起振。
6.根据权利要求5所述的检测晶体振荡器电路是否起振的方法，其特征在于：相邻两次仿真过程之间间隔时间范围为1～2分钟。
7.根据权利要求5所述的检测晶体振荡器电路是否起振的方法，其特征在于：所述环路增益大于10dB，晶体振荡器电路起振快，起振时间小于1毫秒；所述环路增益范围在0～5dB，晶体振荡器电路起振慢，起振时间大于2.5毫秒；所述环路增益小于0dB，晶体振荡器电路不起振。
8.根据权利要求5所述的检测晶体振荡器电路是否起振的方法，其特征在于：所述参数值还包括工艺参数、工作电压参数和温度参数。
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