晶体振荡器介绍

1.晶振定义

晶体振荡器是时钟电路中最重要的元件。它的作用是为显卡、网卡、主板等配件的元件提供参考频率。它就像一个统治者。工作频率不稳定会导致相关设备的工作频率不稳定，自然容易出问题。

由于制造工艺的不断改进，晶振的频偏、温度稳定性、老化率、气密性等重要技术指标都非常好，不易造成故障，但晶振的质量可以选择时还是要注意的。晶体振荡器在应用中的作用是什么？微控制器时钟源可分为两类：基于机械谐振元件的时钟源，如晶体振荡器、陶瓷谐振槽和RC（电阻、电容）振荡器。一种是用于晶体和陶瓷罐的 Pierce 振荡器配置。

另一种是简单的分立 RC 振荡器。基于晶体和陶瓷谐振槽的振荡器通常提供非常高的初始精度和低温系数。RC振荡器可以快速启动，成本低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较低，其变化范围为标称输出频率的5%至50%。但是，其性能受环境条件和电路元件选择的影响。振荡器电路的元件选择和电路板布局必须认真对待。

使用时，必须针对特定逻辑系列优化陶瓷谐振槽和相应的负载电容。具有高 Q 值的晶体对放大器的选择不敏感，但在过载期间容易出现频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器运行的环境因素是电磁干扰 (EMI)、机械冲击和冲击、湿度和温度。这些因素会增加输出频率变化，增加不稳定性，在某些情况下，还会导致振荡器停止。

使用振荡器模块可以避免上述大部分问题。这些模块带有一个振荡器，提供低阻抗方波输出，并保证在特定条件下运行。最常见的两种类型是晶体模块和集成 RC 振荡器（硅振荡器）。晶体模块提供与分立晶体相同的精度。硅振荡器比分立 RC 振荡器更准确，并且在大多数情况下，提供与陶瓷谐振回路相当的精度。

选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的供电电流和电路内部的电容值决定。CMOS放大器的功耗与工作频率成正比，可以表示为功耗电容值。例如，HC04逆变器门的功耗电容值为90pF。

在 4MHz、5V 电源下工作时，相当于 1.8mA 的电源电流。再加上一个20pF的晶振负载电容，整个供电电流为2.2mA。陶瓷谐振槽通常具有较大的负载电容，因此需要更多的电流。相比之下，晶体模块通常需要 10 mA 至 60 mA 的电源电流。硅振荡器的供电电流取决于其类型和功能，范围从几微安的低频（固定）元件到几毫安的可编程元件。MAX7375等低功耗硅振荡器工作在4MHz时所需电流小于2mA。为特定应用优化时钟源需要综合考虑精度、成本、功耗和环境要求等因素。

晶体振荡器控制CPU的时钟频率，即产生高低电平的周期（产生高电平，低电平为一个周期）。一般来说，越快的晶体的频率（单位时间的计算机处理速度）本身不会振荡，而是会以固定的频率与外部电路发生谐振。外部电路的振荡频率必须与晶体的固有振荡频率一致，或者至少非常接近，否则电路将停止振动。关于测试，一般情况下用万用表测量电阻（指指针运动）是否损坏（振荡频率低的指针也会轻微晃动，但会立即归零），指针确实不动（阻力无穷大），

2.晶体振荡器工作原理

晶体可以在电气上等效为一个电容和一个电阻并联，然后再与一个电容串联。电网有两个谐振点。有高频和低频之分，低频为串联谐振。高频是并联谐振。由于晶体本身的特性，两个频率之间的距离相当接近。在这个极窄的频率范围内，晶振就相当于一个电感，所以只要将晶振与合适的电容并联，就会形成并联谐振电路。

在负反馈电路中加入并联谐振电路，构成正弦波振荡电路。由于晶振相当于电感的一个狭窄频率范围，即使其他元件的参数发生较大变化，振荡器的频率也不会发生太大变化。

3.晶体振荡器参数

晶振有一个重要的参数，就是负载电容值。选择与负载电容值相等的并联电容可以得到晶振的标称谐振频率。

4.晶体振荡器类型

谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器、陶瓷谐振器、LC谐振器等。晶体振荡器和谐振振荡器有各自的有源晶体谐振振荡器的交集。

石英晶片之所以能产生电路振荡（共振），是基于它们的压电效应。从物理学中可知，如果在晶片的两片之间施加电场，晶体将发生机械变形。相反，如果在两块板之间施加机械力，则会在相应方向上产生电场。这种现象称为压电效应。如果在两块板之间施加交流电压，就会发生机械变形振动，机械变形振动会产生交变电场。

一般来说，这种机械振动的幅度比较小，而且它的振动频率很稳定。但当外加交流电压的频率等于晶片的固有频率（取决于晶片的大小）时，机械振动的幅度会急剧增加。这种现象称为压电谐振，因此石英晶体也称为石英晶体谐振器。其特点是高频稳定。

5.晶体振荡器的测试方法

晶体万用表测试方法

提示：如何在没有示波器的情况下测量晶振是否开始振动？

可以用万用表测量晶振两个管脚电压是否为芯片工作电压的一半。例如，如果工作电压为5V，则测量值约为2.5V。另外，如果你用镊子触摸晶体的另一个引脚，这个电压会发生显着变化，证明是在振荡。

提示：只要拿一块1.5V的电池，将晶振连接到晶振两端的耳朵上即可。仔细听。当您听到嗡嗡声时，表示它开始振动。这很好！

5.1 电阻法

将万用表置于R×10K挡中，测量石英晶体两个引脚之间的电阻为无穷大。如果测得的电阻值不是无穷大甚至接近于零，则表明被测晶振漏电或击穿。

这种方法只能测量晶体是否漏水。如果晶体内部有开路，电阻法就无能为力了。在这种情况下，必须使用下面描述的方法。

5.2自制测试仪

根据图中所示的电路，焊接一个简单的石英晶体测试仪可以准确地测试晶体的质量。图中XS1和XS2两个测试管座可以从小7.脚或小九脚管座的插座上拆下。最好选择亮度高的LED灯管。

检测石英晶体时，将石英晶体的两个引脚分别插入XS1和XS2的两个插座中，按下开关SB，如果石英晶体良好，由三极管VT1、C1等元件组成的振荡电路， C2等振荡，振荡信号经C3耦合到VD2检测，检测到的直流信号电压使VT2导通，因此连接在VT2集电极电路中的LED发光，说明待测石英晶体良好如果 LED 不亮，则被测石英晶体坏。该测试仪以较宽的频率测试石英晶体，但最佳工作频率为数百千赫至数十兆赫。