可編程晶振改變頻率的核心原理是：通過(guò)內(nèi)部集成的鎖相環(huán)（PLL）和數(shù)字分頻/倍頻電路，對(duì)基礎(chǔ)石英晶體產(chǎn)生的固定頻率進(jìn)行精密的數(shù)學(xué)運(yùn)算（分頻、倍頻、分?jǐn)?shù)分頻），最終輸出一個(gè)用戶通過(guò)數(shù)字接口（如I2C、SPI）編程設(shè)定的目標(biāo)頻率。

以下是詳細(xì)的步驟和原理：

1、基礎(chǔ)頻率源：

核心仍然是一個(gè)高品質(zhì)的石英晶體振蕩器（通常工作在相對(duì)較低的固定頻率，例如10 MHz、20 MHz、25 MHz、50 MHz等）。這個(gè)頻率非常穩(wěn)定且精確（精度通常在±10~±50 ppm），但它是固定的。

2、鎖相環(huán)：

· 可編程晶振內(nèi)部集成了一個(gè)關(guān)鍵的電路——鎖相環(huán)。

· PLL的基本工作原理：

· 壓控振蕩器：產(chǎn)生一個(gè)高頻輸出信號(hào)。

· 相位/頻率檢測(cè)器：將VCO的輸出頻率（經(jīng)過(guò)分頻后）與參考頻率（來(lái)自基礎(chǔ)晶體振蕩器）進(jìn)行比較。

· 電荷泵和環(huán)路濾波器： 將檢測(cè)器輸出的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成平滑的電壓信號(hào)。

· 反饋分頻器： 將VCO的高輸出頻率除以一個(gè)可編程的整數(shù)N，得到反饋頻率。

當(dāng)PLL鎖定后，VCO的輸出頻率 Fvco 滿足：Fvco = N * Fref。這里Fref 就是基礎(chǔ)晶振的頻率。

3、頻率合成（分頻與倍頻）：

PLL的核心作用是利用基礎(chǔ)頻率Fref合成出一個(gè)新的、更高的頻率Fvco = N * Fref。N是一個(gè)可以通過(guò)編程設(shè)置的整數(shù)（倍頻系數(shù)）。

輸出分頻器：

通常，F(xiàn)vco的頻率遠(yuǎn)高于最終需要的輸出頻率Fout。

因此，在PLL的輸出端（VCO之后）還有一個(gè)或多個(gè)可編程輸出分頻器。

這些分頻器將 Fvco 除以一個(gè)可編程的整數(shù) M，得到最終輸出頻率：Fout = Fvco / M = (N * Fref) / M。

分?jǐn)?shù)分頻：

為了獲得更精細(xì)的頻率步進(jìn)（遠(yuǎn)小于 Fref），現(xiàn)代高性能可編程晶振普通采用分?jǐn)?shù)-N PLL技術(shù)。

整數(shù)分頻器 N的基礎(chǔ)上，分頻比可以在N和N+1之間快速地、以一定比例切換。例如，平均分頻比可以是N + F/K（其中 F和K是整數(shù)）。

這使得輸出頻率可以表示為：Fout = (N + F/K) * Fref / M。

F 和K 也是可以通過(guò)編程設(shè)置的參數(shù)。K 通常很大（例如 22?），使得分?jǐn)?shù)部分F/K可以非常小，從而實(shí)現(xiàn)極精細(xì)的頻率分辨率（如0.1 ppm或更?。?。

4、編程接口：

· 用戶通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口（最常見(jiàn)的是I2C 或 SPI）與可編程晶振內(nèi)部的寄存器進(jìn)行通信。

· 制造商提供編程指南或配置軟件，用戶只需輸入所需的目標(biāo)輸出頻率Fout。

· 晶振內(nèi)部的微控制器或狀態(tài)機(jī)根據(jù)Fout、基礎(chǔ)頻率Fref 以及內(nèi)部電路的限制，自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)的分頻/倍頻系數(shù)組合（N, M, F, K 等）。

· 用戶通過(guò)接口將這些系數(shù)值寫入晶振內(nèi)部相應(yīng)的配置寄存器。

5、輸出驅(qū)動(dòng)：

合成并分頻后的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出緩沖/驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)換為具有標(biāo)準(zhǔn)電平（如LVCMOS、LVDS、HCSL等）和驅(qū)動(dòng)能力的時(shí)鐘信號(hào)輸出。

總結(jié)關(guān)鍵點(diǎn)：

· 基礎(chǔ)固定頻率：核心是穩(wěn)定但固定的石英晶體振蕩器。

· 數(shù)學(xué)變換： 利用可編程的PLL（整數(shù)/分?jǐn)?shù)分頻）和輸出分頻器，對(duì)基礎(chǔ)頻率進(jìn)行精確的乘法和除法運(yùn)算。

· 公式：Fout = (N * Fref) / M（整數(shù)模式）或更精細(xì)的 Fout = ((N + F/K) * Fref) / M （分?jǐn)?shù)模式）。

· 數(shù)字控制： 用戶通過(guò)I2C/SPI接口設(shè)定目標(biāo)頻率Fout，晶振自動(dòng)計(jì)算并設(shè)置內(nèi)部參數(shù) N, M, F, K。

· 靈活性： 通過(guò)改變這些數(shù)字參數(shù)，可以在晶振支持的頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)生幾乎任意所需的輸出頻率（分辨率可達(dá)ppb級(jí)），而無(wú)需更換物理晶體。

· 附加功能：許多可編程晶振還集成了其他可編程功能，如輸出電平選擇、使能/禁用控制、擴(kuò)頻調(diào)制（SSM）等，也是通過(guò)相同的接口配置。

因此，可編程晶振并不是通過(guò)物理方式改變石英晶體本身的振動(dòng)頻率（那是VCXO的原理），而是通過(guò)復(fù)雜的數(shù)字頻率合成技術(shù)，將固定晶體頻率“轉(zhuǎn)換”成用戶所需的任意目標(biāo)頻率。