晶体振荡器的三态功能及控制逻辑

选购石英晶体振荡器（XO）时，有些规格书（datasheet）标有三态（tri-state）控制功能，有些则没有该功能。那么，三态控制究竟是什么神秘武器？

图1. 具有三态功能的石英晶体振荡器

什么是三态？

我们知道，大多数数字系统使用“0”、“1”表示两个级别的状态，但是一些特殊应用还需要第三状态——高阻抗“Hi-Z”。这里，前两态与一般逻辑电路相似，“第三态”表示系统处于高阻抗状态，这时的输入、输出相互隔断，输出端处于悬空（相当于开路），没有任何逻辑控制功能，输出端电位取决于所连接的外部电路。

三态电路都有一个使能端“EN控制”，用来控制三态门的通断，可以很方便地将输出端连接到总线。如果多个设备端口要挂在一个总线上，必须通过三态缓冲器。因为一个总线上同时只能有一个端口作为输出，这时其他端口必须处于“高阻态”，同时还可以输入这个输出端口的数据。通过总线控制管理，系统访问到哪个端口，那个端口的三态缓冲器才可以转入输出状态。

“高阻态”的意义在于电路虽然并没有断开，实际上却起到了断开的效果。这在自动测试、总线数据传输等应用中较为常见。

三态控制

在具有三态功能的振荡器中，石英振荡器（XO）的输出可由三态控制引脚（tri-state pin）控制。控制逻辑如下：
- 逻辑高：输出支持
- 逻辑低：输出禁用

图2. 三态模式下关闭振荡器电路

也就是说，当三态脚是低电平时，输出将呈现高阻态，信号输出被禁止；当三态脚是高电平时，才会有频率信号和波形输出。大多数TTL、HCMOS或HCMOS石英晶体振荡器都提供有三态输出，或三态启用/禁用功能。

三态功能允许输出引脚呈现高阻态，这相当于把振荡器的输出从电路中去掉了。当三态禁用输出时，尽管OSC振荡器可以保持打开或关闭，输出信号都在三态端口被禁用。

当输出被三态口禁用时，如果振荡电路关闭，此时三态功能的优势在于待机电流较低，缺点是需要更长的启动时间(基本模式 >0.2ms，第3个泛音模式 >2ms) 。

图3. 三态模式下振荡器电路依然开启

另一种情况是，输出被禁用时振荡电路依然开启，此时三态功能的优势在于启动时间较短( <0.1ms)，缺点是待机电流较大。

图4. 不同振荡器工作模式的待机电流比较

应用中，如果我们不需要三态功能，可将三态引脚连接到Vcc引脚，或让其保持悬空状态。如果三态引脚悬空，还可以通过内部的一个上拉电阻来启用输出功能。

图5. 三态功能的禁用

在BOM配单时，建议优先考虑具有“三态（tri-state）”功能的晶振，因为有些晶振提供了振荡电路“开/关”选项，有的还在三态模式下关闭了内部振荡电路，这就需要进一步查阅规格书（datasheet）。

审核编辑：汤梓红