晶振-基本概述

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晶振

晶體全稱為晶體振蕩器，其作用在于產(chǎn)生原始的時鐘頻率，這個頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實(shí)現(xiàn)對模擬信號44.1kHz或48kHz的采樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是娛樂級聲卡為了降低成本，通常都采用SRC將輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質(zhì)帶來損害，而且現(xiàn)在的娛樂級聲卡都沒有很好地解決這個問題。

晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給他通電，他就會產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給他機(jī)械力，他又會產(chǎn)生電，這種特性叫機(jī)電效應(yīng)。他們有一個很重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關(guān)。由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機(jī)電效應(yīng)是機(jī)-電-機(jī)-電..的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉(zhuǎn)換。在電路中的應(yīng)用實(shí)際上是把它當(dāng)作一個高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即Q 值非常高，做振蕩器用時，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。

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晶振-主要參數(shù)

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參數(shù)	基本描述
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（252℃）以及其他條件保持不變，晶體振蕩器的頻率相對與其規(guī)定標(biāo)稱值的最大允許偏差，即（fmax-fmin）/f0；
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）；
頻率調(diào)節(jié)范圍	通過調(diào)節(jié)晶振的某可變元件改變輸出頻率的范圍。
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。
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于標(biāo)稱負(fù)載下的輸出頻率的最大允許頻偏。
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于標(biāo)稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。
雜波	輸出信號中與主頻無諧波（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。
諧波	諧波分量功率Pi與載波功率P0之比，用dBc表示。
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間的系統(tǒng)漂移過程。通常用某一時間間隔內(nèi)的頻差來量度。對于高穩(wěn)定晶振，由于輸出頻率在較長的工作時間內(nèi)呈近似線性的單方向漂移，往往用老化率（單位時間內(nèi)的相對頻率變化）來量度。
日波動	指振蕩器經(jīng)過規(guī)定的預(yù)熱時間后，每隔一小時測量一次，連續(xù)測量24小時，將測試數(shù)據(jù)按S=（fmax-fmin）/f0式計算，得到日波動。
開機(jī)特性	在規(guī)定的預(yù)熱時間內(nèi)，振蕩器頻率值的最大變化，用V=（fmax-fmin）/f0表示。
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。 ?

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晶振-基本分類

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晶振

晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC共同作用來工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時一般需要提供3.3V電壓來維持工作。振蕩器比諧振器多了一個重要技術(shù)參數(shù)：諧振電阻（RR），諧振器沒有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，因此這是各商家競爭的一個重要參數(shù)。

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晶振-工作原理

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晶振

計算機(jī)都有個計時電路，盡管一般使用“時鐘”這個詞來表示這些設(shè)備，但它們實(shí)際上并不是通常意義的時鐘，把它們稱為計時器(timer)可能更恰當(dāng)一點(diǎn)。計算機(jī)的計時器通常是一個精密加工過的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)以一定的頻率振蕩，這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個寄存器與每個石英晶體相關(guān)聯(lián)，一個計數(shù)器(counter)和一個保持寄存器(holdingregister)。石英晶體的每次振蕩使計數(shù)器減1。當(dāng)計數(shù)器減為0時，產(chǎn)生一個中斷，計數(shù)器從保持計數(shù)器中重新裝入初始值。這種方法使得對一個計時器進(jìn)行編程，令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能。每次中斷稱為一個時鐘嘀嗒(clocktick)。

晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?#xff0c;在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

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晶振-功能作用

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晶振

晶振在應(yīng)用具體起到的作用，微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；RC（電阻、電容）振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器?；诰д衽c陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。需認(rèn)真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動時很容易產(chǎn)生頻率漂移（甚至可能損壞）。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾（EMI）、機(jī)械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成RC振蕩器（硅振蕩器）。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?

選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。 在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的晶振工作原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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