晶振的结构、工作原理以及作用

晶振是每个微控制器系统里都要用到的时钟元件，全称叫晶体震荡器，在微控制器系统里晶振的作用非常大，其结合微控制器内部的电路，产生微控制器所必须的时钟频率，微控制器的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的时钟频率越高，那微控制器的运行速度也就越快。那么什么是晶振?其的作用时什么?原理又是什么?下面一起来看看吧：

1.概念

晶振是石英振荡器的简称，英文名为晶振，是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片)，它是时钟电路中最重要的部件。而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

2.基本结构

晶体的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳，就构成了石英晶体谐振器。

图1 石英晶体谐振器结构

3.工作原理

晶振是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

晶振一般采用如图2a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路;实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。

图2 晶振电路原理图

分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe，Cce，Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于C1很小(1E-15量级)，Co不能忽略(1E-12量级，几PF)。所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害;另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小，最后导致停振。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小;因此频率的变化范围也就越小。

4.作用

(1)为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步，有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

(2)晶振与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

图3 晶振

5.主要参数

(1)频率公差：在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(25℃)以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，即(fmax-fmin)/f0;

(2)温度稳定度：其他条件保持不变，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);

(3)频率调节范围：通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。

(4)调频(压控)特性：

包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。

①调频频偏：压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。

②调频灵敏度：压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。

③调频线性度：是一种与理想直线(最小二乘法)相比较的调制系统传输特性的量度。

(5)负载特性：其他条件保持不变，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。

(6)电压特性：其他条件保持不变，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。

(7)杂波：输出信号中与主频无谐波(副谐波除外)关系的离散频谱分量与主频的功率比，用dBc表示。

(8)谐波：谐波分量功率Pi与载波功率P0之比，用dBc表示。

(9)频率老化：在规定的环境条件下，由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率(单位时间内的相对频率变化)来量度。

(10)日波动：指振荡器经过规定的预热时间后，每隔一小时测量一次，连续测量24小时，将测试数据按S=(fmax-fmin)/f0式计算，得到日波动。

开机特性:在规定的预热时间内，振荡器频率值的最大变化，用V=(fmax-fmin)/f0表示。

(11)相位噪声：短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比£(f)表示，£(f)与噪声起伏的频谱密度Sφ(f)和频率起伏的频谱密度Sy(f)直接相关，由下式表示：

f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)

f—傅立叶频率或偏离载波频率;f0—载波频率。

6.应用

(1)通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。

(2)时钟脉冲用石英晶体谐振器，与其它元件配合产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中。

(3)微处理器用石英晶体谐振器。

(4)CTVVTR用石英晶体谐振器。

(5)钟表用石英晶体振荡器。

图4 晶振外形

7.测量好坏

(1)用万用表(R×10k挡)测晶振两端的电阻值，若为无穷大，说明晶振无短路或漏电;再将试电笔插入市电插孔内，用手指捏住晶振的任一引脚，将另一引脚碰触试电笔顶端的金属部分，若试电笔氖泡发红，说明晶振是好的;若氖泡不亮，则说明晶振损坏。

(2)用数字电容表(或数字万用表的电容档)测量其电容，一般损坏的晶振容量明显减小(不同的晶振其正常容量具有一定的范围，可测量好的得到，一般在几十到几百PF)。

(3)贴近耳朵轻摇，有声音就一定是坏的(内部的晶体已经碎了，还能用的话频率也变了)。

(4)测试输出脚电压。一般正常情况下，大约是电源电压的一半。因为输出的是正弦波(峰峰值接近源电压)，用万用表测试时，就差不多是一半啦。

(5)用代换法或示波器测量。

本文详细地介绍了晶振的概念、构造、原理、作用以及应用。晶振可根据客户的需要制作各种类型、不同尺寸的晶体振荡器(具体资料请参看产品手册)。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以，小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。