为什么XTAL1和XTAL2上的信号是正弦波（不是方波）？

我有一个基本的实现，在处理器上向XTAL1和XTAL2提供了晶体（类似于下面）。当我查看XTAL1和XTAL2上的信号时，它们是正弦波。

他们不应该是方波吗？

该电路不是数字电路。实际上，它是一个数学上相当复杂的非线性模拟电路，具有自动增益控制和自维持振荡模式。它被称为“ 皮尔斯振荡器 ”。

振荡频率由机电谐振器（晶体）的陡峭斜率定义，而增益控制基于输入对直流偏置电压的依赖性-如果直流偏置（在C1处）对地太低或太小接近V _cc，增益低。线性增益在地面和电源轨之间的某个位置最高。

（通常是内部）偏置电阻R1在振荡器中起着至关重要的作用。在CMOS实现中，其典型值约为1 MOhm。它与C1一起构成一个低通滤波器，该低通滤波器对输出进行积分，并根据输出信号的轻微不对称性提供可变的DC偏移，即使输出达到饱和（轨限制）也是如此。

结果，取决于反相器的原始增益以及晶体谐振器和负载电容器的参数，Xout和Xin上可能会出现各种带有或多或少非线性失真的信号形状。增益非常低且处于自激振荡的边缘时，信号将接近正弦波，而增益较高时，输出将达到电压轨并可能接近矩形。制作Pierce振荡器的技术是在矩形输出和正弦波输出之间提供一些黄金折衷，同时使整个电路对温度和电压变化具有良好的稳定性。

本文讨论的是MEMS谐振器，而不是石英晶体，但思路是相同的。这是电路如何启动并漂移至稳态的一个示例：

晶体（+ C1 / C2）是带宽非常窄的谐振器/滤波器。只有基频可以通过它。

正弦波是一个纯净的频率，因此它是一个正弦波。

通过所有奇数谐波填充驼峰，直到正弦变为方波，方波才变为方波。无谐波=不平方

[注意，晶体实际上确实具有被称为泛音的 “谐波” ，但是它们彼此之间的频率略有偏离，因此基本音的谐波不会完全触及三次泛音等。

另一种观点认为，水晶就像是一辆自行车的车轮沿着道路滚动。CMOS反相器驱动它，就像您的脚和腿一样。现在，您可以“踩踏”踏板，并根据需要尝试使移动为方波。但无论如何，踏板都会顺畅地旋转，因为飞轮效果非常大。水晶就像一个巨大的飞轮，正弦地顺滑地滚动。

水晶真的就像是一个沉重的飞轮。如果突然断开驱动器，信号将花费数千个周期才能消失。当您打开振荡器时，它需要数千个周期才能启动，并逐渐增大振幅。这就是为什么处理器具有“振荡器启动计时器”的原因

晶体会将电能转换为机械能，反之亦然。当以特定频率的正弦波形驱动时，它可以有效地做到这一点。用任何其他方式驱动它会导致它将大部分应用能量转换成热或机械降解。

尽管处理器可能向晶体输出方波，但是与用更接近正弦波的波形驱动晶体相比，这将导致晶体产生更多的热量并承受更大的应力。此外，如果引脚的目的是用作晶体振荡器的输出，则与足够强大的晶体管相比，其强度不足以迫使引脚上的电压立即变化的小型晶体管可能会非常便宜。强行驱动方波。

请注意，顺便说一句，在大多数情况下，处理器不会在晶体中投入大量能量，并且正弦波形状不是由从处理器流入晶体的能量决定的，而是由反复从晶体中流动的能量决定的将水晶放入随附的瓶盖中，然后再次返回。

即使信号是正弦波，引脚也具有阈值电压。低于此阈值将为0，高于此阈值将为1。这通常是内部电路的结果。

高于阈值时，该引脚将记录一个1。该引脚具有一定范围的电压，可以正常工作，因此即使在正弦波的峰值期间'1'的电压从3.31到3.35伏变化， ，它将以所需的方式运行。

因此，即使实际电压略有变化，该引脚也会从0变为1。当然，电压太大，它将以意外的方式开始工作，通常会损坏芯片。

该晶体用作具有180度相移的极高Q窄带通滤波器，逆变器将迫使其振荡至逻辑电平方波饱和。

因此，由于滤除了方波的所有谐波，因此逆变器输入为正弦波。

该正弦波具有有限且易于计算的斜率，并且内部电路中的某些本底噪声确实使谐振器信号平方，导致可预测的相位噪声或时间抖动。

使用公式

T _抖动 = V _噪声 /斜率

预测此时钟源的时序漂移。

注意，任何其他电路只会进一步增加抖动。使用相同的公式。

假设您的正弦方波电路具有10 kohm的噪声。这是12纳伏/ rtHz热随机/约翰逊/博茨曼噪声密度。如果带宽为100 MHz，则总输入噪声电压为12 nV * sqrt（100 MHz）= 12 nV * 10 ^ 4 = 120微伏RMS。

假设晶体频率为10 MHz，峰值正弦振幅为+ -1伏。压摆率是1 V * 6.28 * 10 MHz = 63伏/微秒。

什么是边缘抖动？T _j = V _噪声 /斜率

T _j = 120微伏/（63伏/微秒）= 2皮秒。