晶振的工作原理

1、晶振的工作原理：晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)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(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振的參數(shù)：晶振有一個(gè)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，

2、就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。晶振的應(yīng)用：一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)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(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)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(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。無(wú)源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱(chēng)不同，無(wú)源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電

3、路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以“無(wú)源晶振”這個(gè)說(shuō)法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。晶振的種類(lèi)：諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振振蕩器。石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅是比較小的，其振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓

4、的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振，因此石英晶體又稱(chēng)為石英晶體諧振器。 其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高。晶振的萬(wàn)用表測(cè)試方法：小技巧：沒(méi)有示波器情況下如何測(cè)量晶振是否起振?可以用萬(wàn)用表測(cè)量晶振兩個(gè)引腳電壓是否是芯片工作電壓的一半，比如工作電壓是5V則測(cè)出的是否是2.5V左右。另外如果用鑷子碰晶體另外一個(gè)腳，這個(gè)電壓有明顯變化，證明是起振了的.小竅門(mén)：就是弄一節(jié)1.5V的電池接在晶振的兩端把晶振放到耳邊仔細(xì)的聽(tīng)，當(dāng)聽(tīng)到噠噠的聲音那就說(shuō)明它起振了，就是好的嘛！1.電阻法把萬(wàn)用表?yè)茉赗×10K擋，測(cè)量石英晶體兩引腳間的電阻值應(yīng)為無(wú)窮大。

5、如果測(cè)量出的電阻值不是無(wú)窮大甚至接近于零，則說(shuō)明被測(cè)晶體漏電或擊穿。這種辦法只能測(cè)晶體是否漏電，如果晶體內(nèi)部出現(xiàn)斷路，電阻法就無(wú)能為力了，此時(shí)必須采用下面介紹的方法2 .自制測(cè)試器按圖所示電路，焊接一個(gè)簡(jiǎn)易石英晶體測(cè)試器，就可以準(zhǔn)確地測(cè)試出晶體的好壞。圖中XS1、XS2兩個(gè)測(cè)試插口可用小七腳或小九腳電子管管座中拆下來(lái)的插口。LED發(fā)光管選擇高亮度的較好。檢測(cè)石英晶體時(shí)，把石英晶體的兩個(gè)管腳插入到XS1和XS2兩個(gè)插口中，按下開(kāi)關(guān)SB，如果石英晶體是好的則由三極管VT1、C1、C2等元器件構(gòu)成的震蕩電路產(chǎn)生震蕩，震蕩信號(hào)經(jīng)C3耦合至VD2檢波，檢波后的直流信號(hào)電壓使VT2導(dǎo)通，于是接在VT2集電

6、極回路中的LED發(fā)光，指示被測(cè)石英晶體是好的，如果LED不亮，則說(shuō)明被測(cè)石英晶體是壞的.本測(cè)試器測(cè)試石英晶體的頻率很寬，但最佳工作頻率為幾百千赫至幾十兆赫。 一個(gè)簡(jiǎn)易石英晶體測(cè)試器晶振的穩(wěn)定性指標(biāo)總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱(chēng)頻率的最大偏差。說(shuō)明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負(fù)載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對(duì)的，程度不同而已。一個(gè)晶振的輸出頻率隨時(shí)間變化的曲線如圖2。圖中

7、表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。圖2 晶振輸出頻率隨時(shí)間變化的示意圖曲線1是用0.1秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4 是用1天一次測(cè)量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱(chēng)電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)ftref ±MAX(fmax-fref)/fref，(fmin-fref)/frefft：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準(zhǔn)溫度)ftref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準(zhǔn)溫度)fmax ：規(guī)

8、定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最高頻率fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最低頻率fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測(cè)得的頻率說(shuō)明：采用ftref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標(biāo)的晶體振蕩器,故ftref指標(biāo)的晶體振蕩器售價(jià)較高。開(kāi)機(jī)特性（頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間）：指開(kāi)機(jī)后一段時(shí)間(如5分鐘)的頻率到開(kāi)機(jī)后另一段時(shí)間(如1小時(shí))的頻率的變化率。表示了晶振達(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對(duì)經(jīng)常開(kāi)關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。說(shuō)明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對(duì)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺(tái)，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度±0.3p

9、pm(-4585)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間將不少于5分鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年）來(lái)表示。晶體老化是因?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問(wèn)題。應(yīng)力要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割

10、方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。污染物和殘留氣體的分子會(huì)沉積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻率越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的時(shí)間才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會(huì)有反復(fù)使污染物在晶體表面再度集中或分散。因此，頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時(shí)間長(zhǎng)的晶振比工作時(shí)間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。說(shuō)明：TCXO的頻率老化率為：±0.2ppm±2ppm（第一年）和±1ppm±5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)室的條件下，溫度變化

11、引起的頻率變化也將大大超過(guò)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標(biāo)失去了實(shí)際的意義）。 OCXO的頻率老化率為：±0.5ppb±10ppb/天（加電72小時(shí)后），±30ppb±2ppm（第一年），±0.3ppm±3ppm（十年）。短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時(shí)間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。測(cè)量一連串的頻率值后，用阿倫方程計(jì)算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專(zhuān)用儀器測(cè)量)。重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工

12、作穩(wěn)定后關(guān)機(jī)，停機(jī)一段時(shí)間t1(如24小時(shí))，開(kāi)機(jī)一段時(shí)間t2(如4小時(shí))，測(cè)得頻率f1，再停機(jī)同一段時(shí)間t1，再開(kāi)機(jī)同一段時(shí)間t2，測(cè)得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。說(shuō)明：基準(zhǔn)電壓為2.5V，規(guī)定終點(diǎn)電壓為0.5V和4.5V，壓控晶體振蕩器在0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為-2ppm，在4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為2.1ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：±2ppm(2.5V±2V)，斜率為正，線性為+2.4%。壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí)，峰值頻偏

13、與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。說(shuō)明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為010kHz。頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線性度。說(shuō)明：典型的VCXO頻率壓控線性為：±10%，±20%。簡(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí))：頻率壓控線性±(fmax-fmin)/ f0)×100%fmax：VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率fmin：VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率f0：壓控中心電壓頻率單邊帶相位噪聲(f)

14、：偏離載波f處，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。輸出波形：從大類(lèi)來(lái)說(shuō)，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類(lèi)。方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘上，對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類(lèi)似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號(hào)源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因?yàn)橐粋€(gè)帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號(hào)（不干凈的信號(hào)）被載有信息的基帶信號(hào)調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應(yīng)存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會(huì)導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變壞。所以作為所傳輸信號(hào)的載體，載波信號(hào)的干凈程度（頻譜純度）對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。對(duì)于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。晶振的應(yīng)用：圖3為紅外線發(fā)射出電路。圖4為晶振式發(fā)射機(jī)電路。電路中、組成晶體振蕩電路。由于石英晶體的頻率穩(wěn)定性好，受溫度影響也較小，所以廣泛用于無(wú)繩電話及調(diào)制器中。是晶體振蕩三極管，發(fā)射極輸出含有豐富的諧波成分，經(jīng)放大后，在集電極由、構(gòu)成諧振于的網(wǎng)絡(luò)選出倍頻信號(hào)（即的信號(hào)最強(qiáng)），再經(jīng)放大，、選頻后得到較理想的調(diào)頻頻段信號(hào)。頻率調(diào)制的過(guò)程是這樣的，音頻電壓的變化引起極