可編程晶振改變頻率的核心原理是：通過內部集成的鎖相環（PLL）和數字分頻/倍頻電路，對基礎石英晶體產生的固定頻率進行精密的數學運算（分頻、倍頻、分數分頻），最終輸出一個用戶通過數字接口（如I2C、SPI）編程設定的目標頻率。

以下是詳細的步驟和原理：

1、基礎頻率源：

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

2、鎖相環：

· 可編程晶振內部集成了一個關鍵的電路——鎖相環。

· PLL的基本工作原理：

· 壓控振蕩器：產生一個高頻輸出信號。

· 相位/頻率檢測器：將VCO的輸出頻率（經過分頻后）與參考頻率（來自基礎晶體振蕩器）進行比較。

· 電荷泵和環路濾波器： 將檢測器輸出的誤差信號轉換成平滑的電壓信號。

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

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

3、頻率合成（分頻與倍頻）：

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

輸出分頻器：

通常，Fvco的頻率遠高于最終需要的輸出頻率Fout。

因此，在PLL的輸出端（VCO之后）還有一個或多個可編程輸出分頻器。

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

分數分頻：

為了獲得更精細的頻率步進（遠小于 Fref），現代高性能可編程晶振普通采用分數-N PLL技術。

整數分頻器 N的基礎上，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）。

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

F 和K 也是可以通過編程設置的參數。K 通常很大（例如 22?），使得分數部分F/K可以非常小，從而實現極精細的頻率分辨率（如0.1 ppm或更小）。

4、編程接口：

· 用戶通過標準的數字接口（最常見的是I2C 或 SPI）與可編程晶振內部的寄存器進行通信。

· 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輸出頻率Fout。

· 晶振內部的微控制器或狀態機根據Fout、基礎頻率Fref 以及內部電路的限制，自動計算出最優的分頻/倍頻系數組合（N, M, F, K 等）。

· 用戶通過接口將這些系數值寫入晶振內部相應的配置寄存器。

5、輸出驅動：

合成并分頻后的信號經過輸出緩沖/驅動電路，轉換為具有標準電平（如LVCMOS、LVDS、HCSL等）和驅動能力的時鐘信號輸出。

總結關鍵點：

· 基礎固定頻率：核心是穩定但固定的石英晶體振蕩器。

· 數學變換： 利用可編程的PLL（整數/分數分頻）和輸出分頻器，對基礎頻率進行精確的乘法和除法運算。

· 公式：Fout = (N * Fref) / M（整數模式）或更精細的 Fout = ((N + F/K) * Fref) / M （分數模式）。

· 數字控制： 用戶通過I2C/SPI接口設定目標頻率Fout，晶振自動計算并設置內部參數 N, M, F, K。

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

· 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、擴頻調制（SSM）等，也是通過相同的接口配置。

因此，可編程晶振并不是通過物理方式改變石英晶體本身的振動頻率（那是VCXO的原理），而是通過復雜的數字頻率合成技術，將固定晶體頻率“轉換”成用戶所需的任意目標頻率。