资深硬件工程师也未必知道的真相：晶振的标称频率全面揭密

Author: Jackie Long

有经验的工程师都曾经使用过晶体（也称无源晶振）或晶振（也称有源晶振），最经典的晶体应用电路就是51单片机最小系统，它产生单片机执行指令所必须的时钟频率信号，单片机的一切指令执行都是建立在这个基础上的，时钟信号频率越高，通常单片机的运行速度也就越快。

我们都知道，晶振都有一个标称频率（Normal Frequency） 参数，比如12M、8M、32768等等，也就是晶振元件规格书中所给出的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数，然而这个标称频率到底是什么呢？

有人说：这个标称频率是石英晶片的谐振频率，与石英晶片的具体尺寸有关！

好像有点道理哈，我们从头来看看。

将石英晶片按一定的形状进行切割后，再用两个电极板夹住就形成了无源晶振，其符号图如下所示：

下图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。

其中：C1为动态等效串联电容；

L1为动态等效串联电感；

R1为动态等效串联电阻，它是晶体内部摩擦性当量

C0为静态电容，相当于两个电极板之间的电容量；

这个等效电路有如下图所示的频响特性曲线：

当R1、L1、C1串联支路发生谐振的频率即串联谐振频率（Fr），此时容抗与感抗相互抵消，因此，支路相当于只有等效串联电阻R1。

这个频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数，其表达式如下所示：

但是这个频率Fr还不是我们在晶振规格书上看到的标称频率哦！

等效电路还有一个反谐振频率fL（并联谐振频率），此时串联支路呈现为感抗，相当于一个电感，如下图所示：

此时的频率如下图所示：

通常厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL，实际的晶体元件应用于振荡电路中时，它一般还会与负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和FL之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。

当负载电容与晶体串联时，如下图所示：

串接的小电容CL可以使石英晶体的谐振频率在一个小范围内调整，此时新的负载谐振频率如下式所示：

其中，C1远远小于C0+CL

当负载电容与晶体并联时，如下图所示：

同样，并联的负载CL也可以小范围调整谐振频率，相应的负载谐振频率如下式：

从实际效果上看，对于给定的负载电容值，F'r与F'L两个频率是相同的，这个频率是晶体的绝大多数应用时所表现的实际频率，也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数，也就是本文最开头介绍的晶振标称频率。

关于晶振的匹配电容计算公式，可参考文章"硬件工程师面试概率最高的问题：晶振的匹配电容计算公式"

工程师怎么认识有源晶振引脚

有源晶振引脚：有源晶振型号众多，而且每一种型号的引脚定义都有所不同，接法也不同,下面我介绍一下有源晶振引脚识别，以方便大家。

有个点标记的为1脚，按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。

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。

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。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。

有源晶振是右石英晶体组成的,石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。

压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。图3是一个串联型振荡器，晶体管T1和T2构成的两级放大器，石英晶体XT与电容C2构成LC电路。在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，C2为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态。该振荡器供电电压为5V，输出波形为方波。

有源晶振与无源晶振

在电子学上，通常将含有晶体管元件的电路称作“有源电路”(如有源音箱、有源滤波器等)，而仅由阻容元件组成的电路称作“无源电路”。电脑中的晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为crystal(晶体)，而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确;有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。

石英晶体振荡器的频率稳定度可达10^-9/日，甚至10^-11。例如10MHz的振荡器，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。因此，完全可以将晶体振荡器视为恒定的基准频率源(石英表、电子表中都是利用石英晶体来做计时的基准频率)。从PC诞生至现在，主板上一直都使用一颗14.318MHz的石英晶体振荡器作为基准频率源。主板上除了这颗14.318MHz的晶振，还能找到一颗频率为32.768MHz的晶振，它被用于实时时钟(RTC)电路中，显示精确的时间和日期

方形有源晶振引脚分布：

1、正方的，使用DIP-8封装，打点的是1脚。 1-NC; 4-GND; 5-Output; 8-VCC

2、长方的，使用DIP-14封装，打点的是1脚。1-NC; 7-GND; 8-Output; 14-VCC

BTW：

1、电源有两种，一种是TTL，只能用5V，一种是HC的，可以3.3V/5V

2、边沿有一个是尖角，三个圆角，尖角的是一脚，和打点一致。

Vcc out

NC(点) GND

有源晶振为四角方形或矩形金属盒子，看着标称一面(顶)，左下空脚，右下地，左上VCC(5V)，右上输出。接上电源可以用示波器看到波形。

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