晶体晶振区别、应用范围及用法

1、无源晶体 ——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。

2、有源晶振 ——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。

几点注意事项：

1、需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤波；

2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件；

3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围；

4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参考相关的资料。

此外还要做一些说明：

总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体，尤其是精密测量等领域，绝大多数用的都是高档的晶振，这样就可以把各种补偿技术集成在一起，减少了设计的复杂性。试想，如果采用晶体，然后自己设计波形整形、抗干扰、温度补偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采用高精度温补晶振的，工业级的要好几百元一个。

特殊领域的应用如果找不到合适的晶振，也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振水平，就必须自己设计了，这种情况下就要选用晶体了，不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体，而是特殊的高端晶体，如红宝石晶体等等。

更高要求的领域情况更特殊，我们这里在高精度测试时采用的时钟甚至是原子钟、铷钟等设备提供的，通过专用的射频接插件连接，是个大型设备，相当笨重。

晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。

2、分类。首先说一下谐振器。

谐振器一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圆柱）。HC-49U一般称49U，有些采购俗称“高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。音叉型按照体积分可分为3*8，2*6，1*5，1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。脚位有4pin和2pin之分。

而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为OSC(普通钟振)，TCXO（温度补偿），VCXO（压控），OCXO（恒温）等等。

3、基本术语。

我想这也是很多采购同学比较模糊的地方。这里我选了一些常用的谐振器术语拿来做一下解释。

FrequencyTolerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（25±2℃）与标称频率允许的偏差。一般用PPm（百万分之）表示。

FrequencyStability(温度频差)：指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。用PPm表示。

Aging（年老化率）：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。

ShuntCapacitance（静电容）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

LoadCapacitance（负载电容）：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。

一般最关注的参数有2个，即调整频差，负载电容。有一部分对温度频差有要求。如果工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要求，即所谓宽温。

4、选用。

主要讲讲谐振器。理论上来说，只要参数确定，选任何一种型号都是可以正常使用的。例如49U和49S替换，49S和圆柱以及和贴片替换，都是没有问题的。但在实际选择中会根据电路特点，成本以及便利性来考量和选择。一般来说，简单的应用中主要都是从成本在考虑。但是有些产品或者电路会对晶振的等效电阻，激励功率等等提出要求，所以就会在不同的型号中加以选择。另外，贴片则主要是为了适应产品日益小型化和提高生产效率的要求。听到有些采购朋友说，只能选49S而不能用49U或者反之，这是一个小误区。呵呵。

而钟振的选择则主要决定产品电路的特性的要求，一般来说钟振在精密性以及需要达到相关应用的要求会更好。例如手机，通信机站，卫星等等。

铷原子钟基本介绍-铷钟-原子钟

高性能铷钟主要用于国防军工产业，主要有突出性能指标及产品可靠性方面的要求，同时还应具备易于操作、功能完善、通用性强等特点。本文简单介绍铷原子钟的重要指标性能、选购及检定所用设备等。

1、铷原子钟是什么

铷频标是一种被动型原子频标，铷频标内晶振的振荡频率通过频率合成技术产生一个微波激励信号，铷同位素的原子在激励信号的感应下发生跃迁，原子跃迁对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁频环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。

2、铷原子钟功能与性能的参数：

（1）频率稳定度

是频率偏差的起伏程度，实际上是一种可以用随机过程（平稳的或不平稳的）来研究和处理的问题。频率稳定度在时域上的数学表征是阿伦标准偏差。

（2）月频率漂移率

原子频标连续工作时，频率随时间单方向慢变化程度，用最小二乘法估计吗。通过GPS锁定，可改变铷原子钟的漂移。铷原子钟的月漂移率为：1E-11至4E-11。

（3）频率重现性

铷频标开机一段时间后关机，关机一段时间后，再开机一段时间后的相对平均频率偏差和关机时间的相对平均频率偏差的一致程度。一般为1E-11至5E-11。

（4）频率准确度

频率偏差的最大范围，表明频率实际值靠近标称值的程度。用数值定量表示。不带正负号，一般为5E-11到5E-12。

3、影响铷原子钟的因素

温度和老化漂移会影响原子钟输出频率的准确度和稳定度，使得原子钟的输出频率变的不稳定。铷原子钟与氢原子钟或铯原子钟相比，长期性能较差，各种频移机制使铷原子钟对许多环境因素敏感，除了温度和老化漂移还包括了磁场、压力、冲击、加速度、振动、辐射、电磁干扰、潮湿、供电、存储以及重现性等因素。这些影响铷原子钟长期性能的因素中，温度往往是最大的且难以克服的。

4、铷原子钟选购注意事项

铷原子频率标准的选择要求权衡不同需要折中考虑。首选确定的是稳定度、准确度、漂移率等主要性能指标，其次需要考虑铷钟的应用环境，最后考虑可靠性、体积质量、价格以及功耗等因素。

（1）、稳定度

稳定度包括短期稳定度和长期稳定度，指标一般为5E-11至1E-12（取样时间为1s）；1E-11至1E-12（取样时间为1d）。根据对稳定度的要求选择长稳好还是短稳好的铷原子频率标准。

（2）、漂移率

频率漂移率是铷原子频标的重要指标之一，通常认为光频移是导致整机频率漂移的主要因素，一般在零光强频移泡温点，光强频移贡献约为1E-12/1%,灯光强日漂移一般可达千分之一至万分之几，铷原子频率标准的月漂移率应在4E-11到5E-12范围内。

（3）、价格

铷原子钟的价格取决于几大因素，包括稳定度、漂移率、准确度等。同指标的情况下，进口的要比国产的贵很多。

5、SYN3204型 铷 原子钟

SYN3204型北斗GPS驯服铷原子钟，输出多路标准的10mhz正弦信号，可选择其它频点例如1mhz、5mhz信号输出。以及1pps脉冲信号和RS232时间信号。是一款自主研发生产的一款高精度频率标准，接收GPS北斗卫星信号，使铷振荡器输出频率同步于GPS北斗卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比时频产品。

该款设备设计为LCD大屏，前面板可以显示年月日和具体的时间等信息，产品有快速锁定、低相噪、高可靠性和可长期连续稳定工作等特点。广泛应用在全国各地省市计量院所和检测机构，受到了客户一致好评。应用在各种测试仪器检定校准中作为参考频标，例如在检测时间间隔测量仪时需要铷原子钟作为参考频标。如图：

6、 铷 原子钟检定及使用

那么如何检定铷频标的各项性能指标是否和标称的一致相符合？建议送检相关计量院根据相关的检定规程完成检定和校准。具体的检定项目包括哪些，我们可以参考JJG 292-2009检规。其中开机特性、输出信号、频率稳定度和准确度及日漂移滤等都是重要的检测项。涉及到的相关计量设备有频率稳定度参考频标、频率漂移率和频率准确度参考频标、相位噪声参考频标、示波器、频谱分析仪、频标比对器、频差倍增器、比相仪、分频器、通用计数器和相位噪声测量系统。

铷频标通用技术要求，前面板或后面板上应有仪器名称、型号、制造厂、出厂序号和电源要求。

铷频标的电源开关、输入输出端口、功能设置开关和旋钮应有明确的识别标志。

铷频标不应有影响正常工作的机械损伤。电源开关、功能设置开关和旋钮应灵活、可靠，输入输出端口牢固。

其中检定用射频频率稳定度参考频标，频率稳定度应优于被检铷频标的漂移率和频率准确度一个数量级。

铷频标首次检定要携带使用说明书；后续检定要携带前次的检定证书。

检定用设备的检定条件

a、相位噪声参考频标

相位噪声应比被检铷频标相位噪声小10dB，输出频率可调，并具有外部电压调谐能力。

b、示波器

上升时间小于被检脉冲上升时间的1/3

c、频谱分析仪

频率范围 500khz到100mhz

动态范围 ≥100DB

d、频标比对器

输入频率：1mhz，5mhz、10mhz

频标比对器引入的测量不确定度应优于被检铷频标频率稳定度的3倍。

在时频设备使用过程中，需要接收卫星信号并进行实时对时以保证时间准确，但是有些时频设备在使用中，因使用场所的限制不能一直接收卫星信号，但如果接收不到卫星信号，随着时间的推移设备就会存在一定误差，从而导致时间不准确，所以在这种情况下时频设备内部会配置温补晶振、恒温晶振、铷原子钟等，在没有接收卫星信号时给设备进行守时以铷原子时钟提供的信息为准。

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