在电子技术中,脉冲信号是一个按一定电压幅度,一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期;而将在单位时间(如1秒)内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号(包括脉冲信号)在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称;频率的标准计量单位是Hz(赫)。
谁在产生频率
我们可以将作为频率源的时钟信号发生器看作电脑的心脏。只有心脏跳动起来,电脑才能工作。
1.振荡源:晶体振荡器
芯片本身通常并不具备时钟信号源,因此须由专门的时钟电路提供时钟信号,石英晶体振荡器(Quartz Crystal OSC)就是一种最常用的时钟信号振荡源。
石英晶体就是纯净的二氧化硅,是二氧化硅的单晶体,即我们常说的水晶。石英晶体有天然(Crude)晶体和人工合成(synthetic)晶体两种。天然石英晶体的杂质含量和形态等大多并不统一,因此电子线路中的晶体振荡器多使用人造石英晶体。
从一块晶体上按一定的方位角切下薄片(称为“晶片”),在晶片的两个表面上涂覆一层薄薄的银层后接上一对金属板,焊接引脚,并用金属外壳封装,就构成了石英晶体振荡器。
石英晶片之所以能当为振荡器使用,是基于它的压电效应:在晶片的两个极上加一电场,会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压,晶体就会产生机械振动,同时机械变形振动又会产生交变电场,虽然这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振”。
压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。一个串联型振荡器,晶体管T1和T2构成的两级放大器,石英晶体XT与电容C2构成LC电路。在这个电路中,石英晶体相当于一个电感,C2为可变电容器,调节其容量即可使电路进入谐振状态。该振荡器供电电压为5V,输出波形为方波。
石英晶体振荡器的频率稳定度可达10^-9/日,甚至10^-11。例如10MHz的振荡器,频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。因此,完全可以将晶体振荡器视为恒定的基准频率源(石英表、电子表中都是利用石英晶体来做计时的基准频率)。从PC诞生至今,主板上一直都使用一颗14.318MHz的石英晶体振荡器作为基准频率源。至于始终沿用14.318MHz这个频率的原因,或许是保持兼容性的需要吧。但是,笔者在显卡、闪存盘和手机中也发现了14.318MHz的晶振,就不知道是什么原因了。
主板上除了这颗14.318MHz的晶振,还能找到一颗频率为32.768KHz的晶振,它被用于实时时钟(RTC)电路中,显示精确的时间和日期。
2.分频器与倍频器
将脉冲频率降低n倍,这就是分频器的作用。在第一代PC机中,石英晶体振荡器输出的频率为14.318MHz,而Intel 8086处理器的主频为4.77MHz,后者刚好是前者的1/3。变换频率的工作是在Intel 8284(时钟发生器/驱动器)中完成的,因为Intel 8284芯片中集成了三分频电路,能够将晶体振荡器产生的脉冲信号降低3倍后,提供给CPU和外设
随着CPU主频的提高,需要将晶体振荡器提高若干倍才能满足CPU的需要,于是在时钟电路中倍频器取代了分频器的位置。如果说分频器进行的是除法运算,倍频器则进行了乘法运算,它将晶体振荡器的频率提高n倍。
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