晶振是每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都要用到的時(shí)鐘元件，全稱叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，其結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。那么什么是晶振?其的作用時(shí)什么?原理又是什么?下面一起來看看吧：
1.概念
晶振是石英振蕩器的簡(jiǎn)稱，英文名為Crystal，是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片)，它是時(shí)鐘電路中最重要的部件。而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
2.基本結(jié)構(gòu)
晶體的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼，就構(gòu)成了石英晶體諧振器。
圖1 石英晶體諧振器結(jié)構(gòu)
3.工作原理
晶振是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。
晶振一般采用如圖1a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路;實(shí)際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來實(shí)現(xiàn)，這也是壓控作用的機(jī)理;把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。
圖2 晶振電路原理圖
分析整個(gè)振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個(gè)槽路電容C=Cbe，Cce，Cv三個(gè)電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)?？梢钥闯觯篊1越小，Co越大，Cv變化時(shí)對(duì)整個(gè)槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實(shí)際上，由于C1很小(1E-15量級(jí))，Co不能忽略(1E-12量級(jí)，幾PF)。所以，Cv變大時(shí)，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時(shí)，升高槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害;另一方面，分給振蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來越小，最后導(dǎo)致停振。采用泛音次數(shù)越高的晶振，其等效電容C1就越小;因此頻率的變化范圍也就越小。
4.作用
(1)為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步，有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
(2)晶振與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。
圖3 晶振
5.主要參數(shù)
(1)頻率準(zhǔn)確度：在標(biāo)稱電源電壓、標(biāo)稱負(fù)載阻抗、基準(zhǔn)溫度(25℃)以及其他條件保持不變，晶體振蕩器的頻率相對(duì)與其規(guī)定標(biāo)稱值的最大允許偏差，即(fmax-fmin)/f0;
(2)溫度穩(wěn)定度：其他條件保持不變，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對(duì)于溫度范圍內(nèi)輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
(3)頻率調(diào)節(jié)范圍：通過調(diào)節(jié)晶振的某可變?cè)淖冚敵鲱l率的范圍。
(4)調(diào)頻(壓控)特性：
包括調(diào)頻頻偏、調(diào)頻靈敏度、調(diào)頻線性度。
①調(diào)頻頻偏：壓控晶體振蕩器控制電壓由標(biāo)稱的最大值變化到最小值時(shí)輸出頻率差。
②調(diào)頻靈敏度：壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量。
③調(diào)頻線性度：是一種與理想直線(最小二乘法)相比較的調(diào)制系統(tǒng)傳輸特性的量度。
(5)負(fù)載特性：其他條件保持不變，負(fù)載在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱負(fù)載下的輸出頻率的最大允許頻偏。
(6)電壓特性：其他條件保持不變，電源電壓在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。
(7)雜波：輸出信號(hào)中與主頻無諧波(副諧波除外)關(guān)系的離散頻譜分量與主頻的功率比，用dBc表示。
(8)諧波：諧波分量功率Pi與載波功率P0之比，用dBc表示。
(9)頻率老化：在規(guī)定的環(huán)境條件下，由于元件(主要是石英諧振器)老化而引起的輸出頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)漂移過程。通常用某一時(shí)間間隔內(nèi)的頻差來量度。對(duì)于高穩(wěn)定晶振，由于輸出頻率在較長(zhǎng)的工作時(shí)間內(nèi)呈近似線性的單方向漂移，往往用老化率(單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)頻率變化)來量度。
(10)日波動(dòng)：指振蕩器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，每隔一小時(shí)測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量24小時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)按S=(fmax-fmin)/f0式計(jì)算，得到日波動(dòng)。
開機(jī)特性:在規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間內(nèi)，振蕩器頻率值的最大變化，用V=(fmax-fmin)/f0表示。
(11)相位噪聲：短期穩(wěn)定度的頻域量度。用單邊帶噪聲與載波噪聲之比£(f)表示，£(f)與噪聲起伏的頻譜密度Sφ(f)和頻率起伏的頻譜密度Sy(f)直接相關(guān)，由下式表示：
f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f)
f—傅立葉頻率或偏離載波頻率;f0—載波頻率。
6.應(yīng)用
(1)通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。
(2)時(shí)鐘脈沖用石英晶體諧振器，與其它元件配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，廣泛用于數(shù)字電路中。
(3)微處理器用石英晶體諧振器。
(4)CTVVTR用石英晶體諧振器。
(5)鐘表用石英晶體振蕩器。
圖4 晶振外形
7.測(cè)量好壞
(1)用萬(wàn)用表(R×10k擋)測(cè)晶振兩端的電阻值，若為無窮大，說明晶振無短路或漏電;再將試電筆插入市電插孔內(nèi)，用手指捏住晶振的任一引腳，將另一引腳碰觸試電筆頂端的金屬部分，若試電筆氖泡發(fā)紅，說明晶振是好的;若氖泡不亮，則說明晶振損壞。
(2)用數(shù)字電容表(或數(shù)字萬(wàn)用表的電容檔)測(cè)量其電容，一般損壞的晶振容量明顯減小(不同的晶振其正常容量具有一定的范圍，可測(cè)量好的得到，一般在幾十到幾百PF)。
(3)貼近耳朵輕搖，有聲音就一定是壞的(內(nèi)部的晶體已經(jīng)碎了，還能用的話頻率也變了)。
(4)測(cè)試輸出腳電壓。一般正常情況下，大約是電源電壓的一半。因?yàn)檩敵龅氖钦也?峰峰值接近源電壓)，用萬(wàn)用表測(cè)試時(shí)，就差不多是一半啦。
(5)用代換法或示波器測(cè)量。
本文詳細(xì)地介紹了晶振的概念、構(gòu)造、原理、作用以及應(yīng)用。晶振可根據(jù)客戶的需要制作各種類型、不同尺寸的晶體振蕩器(具體資料請(qǐng)參看產(chǎn)品手冊(cè))。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。所以，小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。
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