晶振是每個單片機系統(tǒng)里都要用到的時鐘元件，全稱叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，其結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。那么什么是晶振?其的作用時什么?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(簡稱為晶片)，它是時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，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個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)的壓電效應制成的一種諧振器件，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，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現(xiàn)，這也是壓控作用的機理;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槽路電容C=Cbe，Cce，Cv三個電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)。可以看出：C1越小，Co越大，Cv變化時對整個槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實際上，由于C1很小(1E-15量級)，Co不能忽略(1E-12量級，幾PF)。所以，Cv變大時，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時，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)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，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)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個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)頻率準確度：在標稱電源電壓、標稱負載阻抗、基準溫度(25℃)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)晶振的某可變元件改變輸出頻率的范圍。
(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。
(5)負載特性：其他條件保持不變，負載在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸出頻率相對于標稱負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于標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。
(10)日波動：指振蕩器經(jīng)過規(guī)定的預熱時間后，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。
開機特性:在規(guī)定的預熱時間內(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)時鐘脈沖用石英晶體諧振器，與其它元件配合產(chǎn)生標準脈沖信號，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.測量好壞
(1)用萬用表(R×10k擋)測晶振兩端的電阻值，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)字萬用表的電容檔)測量其電容，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)測試輸出腳電壓。一般正常情況下，大約是電源電壓的一半。因為輸出的是正弦波(峰峰值接近源電壓)，用萬用表測試時，就差不多是一半啦。
(5)用代換法或示波器測量。
本文詳細地介紹了晶振的概念、構(gòu)造、原理、作用以及應用。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(具體資料請參看產(chǎn)品手冊)。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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