晶振是干什么用的？晶振的作用和原理？一文带你搞懂晶振

大家好，我是李工，希望大家多多支持我。

今天给大家讲一个新的电子元器件--晶振，因为考虑到之前大家留言说篇幅太长，会把篇幅缩短一点。

这里主要是给大家讲一下什么是晶振？晶振是怎么制成的？晶振的内部结构，晶振的工作应用以及影响晶振频率相关的参数。

什么是晶振？

定义： 晶振一般指石英晶体振荡器，也叫晶体振荡器。

晶体振荡器是一种使用逆压电效应的电子振荡器电路，即当电场施加在某些材料上时，它会产生机械变形。因此，它利用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号。

晶体振荡器具有高稳定性、品质因数、小尺寸和低成本 ，这使得它们优于其他谐振器，如 LC 电路、陶瓷谐振器、转叉等。

晶振实物图

电路符号： 晶振是电子电路中最常用的电子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z” 表示，单位为Hz，晶振的图形符号如图所示。

晶振的电路符号

晶振是怎么制成的？--如何从石英毛坯变成晶振？

石英毛坯在振荡电路中用作谐振元件，当受到电压电位的影响时，它将开始以其“基本频率”振动和振荡，这是一种相互关系：电路支持机械共振，反之亦然。晶体用于振荡器的反馈回路中，以限制振荡器的频率。

下图为从原始石英晶体材料到封装为最终晶振图。

从原始石英晶体坯料到封装为最终的晶振图

晶振内部是怎么样的？

如下图所示，整个晶体被金属外壳覆盖。

晶振内部图

拆下这个金属外壳后，我们可以看到一个像毯子一样的网，以保护晶体免受机械损坏。

晶振内部图

在下图中，我们可以看到外部金属外壳内的网状外壳和晶振放置在其中。

晶振内部图

去除金属覆盖物后，我们可以看到石英晶体板及其与外部电极的连接方式，如下图所示。

晶振内部图

晶振的工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件 ，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

压电效应： 若在石英晶体的两个电极上加上一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

晶振的工作原理图（来源于网络）

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似 。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

晶振实物图

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

晶振的等效电路

在晶体振荡器中，晶体被适当地切割并安装在两个金属板之间，如图下图左边图所示。其电气等效如下图右边图所示。

实际上，晶体的行为就像一个串联 RLC 电路 ，由组件组成：

低阻值电阻 R S大值电感 L S小值电容器 C S

然后将与其电极 C p的电容并联。

晶振的等效电路图

石英晶体的等效电路显示了一个串联RLC电路，它表示晶体的机械振动，与一个电容Cp并联，它表示与晶体的电气连接，石英晶体振荡器倾向于朝着它们的“串联谐振”运行。

晶振阻抗频率

晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体系列频率，ƒs。除了这个串联频率之外，当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振时产生并联谐振，如下图所示，还建立了第二个频率点。

晶振阻抗频率图

上面晶体阻抗的斜率表明，随着频率在其端子上增加，在特定频率下，串联电容器Cs和电感器Ls之间的相互作用产生了一个串联谐振电路，将晶体阻抗降至最低并等于Rs ，这个频率点称为晶体串联谐振频率ƒs，低于ƒs晶体是电容性的 。

随着频率增加到该串联谐振点以上，晶体的行为就像一个电感，直到频率达到其并联谐振频率ƒp。

在这个频率点，串联电感Ls和并联电容器Cp之间的相互作用产生了一个并联调谐的 LC 谐振电路，因此晶体两端的阻抗达到了最大值。

因此，根据电路特性，石英晶体可以用作电容、电感、串联谐振电路或并联谐振电路，为了更清楚地说明这一点，我们可以·看下图晶体电抗与频率的关系。

晶振电抗频率

如下图所示，电抗与上述频率的斜率表明，频率ƒs处的串联电抗与Cs成反比，因为低 于ƒs和高于ƒp晶体呈现电容性。

在频率ƒs和ƒp之间，由于两个并联电容抵消，晶体呈现电感性。

晶振电抗频率图

串联谐振频率

根据下图的等效电路图可以得出串联谐振频率：

晶振等效电路图

串联谐振频率公式

并联谐振频率

当串联 LC 支路的电抗等于并联电容器的电抗Cp时，会出现并联谐振频率ƒp ，并给出如下：

并联谐振频率公式

石英晶体振荡器示例

石英晶体具有以下值：Rs = 6.4Ω，Cs = 0.09972pF，Ls = 2.546mH。如果其两端的电容，Cp测量为28.68pF，计算晶体的基本振荡频率及其次级谐振频率。

晶振串联谐振频率，ƒ S：

串联谐振频率计算

晶振的并联谐振频率，ƒ P：

并联谐振频率计算

可以看到，晶振的基频 ƒs 和ƒp之间的差异很小，约为 18kHz (10.005MHz – 9.987MHz)。然而，在这个频率范围内，晶体的 Q 因子（品质因数）非常高，因为晶体的电感远高于其电容或电阻值。

晶体振荡器 Q 因子：

晶振在串联谐振频率下的 Q 因子为：

晶体振荡器Q因子

晶体示例的 Q 因子约为 25,000，是因为这种高X L / R比率。

大多数晶体的 Q 因子在 20,000 到 200,000 之间，良好的 LC 调谐槽路电路将远小于 1,000。

这种高 Q 因子值还有助于晶体在其工作频率下的更高频率稳定性，使其成为构建晶体振荡器电路的理想选择。

已经看到石英晶体的谐振频率与电调谐 LC 谐振电路的谐振频率相似，但Q因子要高得多，这主要是由于其低串联电阻Rs。因此，石英晶体是振荡器特别是高频振荡器的绝佳组件选择。

典型的晶体振荡器的振荡频率范围可以从大约 40kHz 到远高于 100MHz，具体取决于它们的电路配置和使用的放大设备 。 晶体的切割也决定了它的行为方式，因为一些晶体会以一种以上的频率振动，从而产生称为泛音的额外振荡。

此外，如果晶体的厚度不平行或不均匀 ，它可能具有两个或多个谐振频率，都具有产生所谓的谐波的基频和谐波 ，例如二次或三次谐波 。

影响晶振振荡频率的主要因素

工作点变化

我们之前已经了解过晶体管，并且知道了工作点的重要性，对于晶振来说，这个工作点的稳定性需要更高的考虑。

使用的有源器件的操作被调整到其特性的线性部分，该点由于温度变化而移动，因此稳定性受到影响。

温度变化

振荡电路中的振荡电路包含各种元件，例如电阻、电容和电感。它们的所有参数都取决于温度，由于温度的变化，它们的值会受到影响，这就会影响到振动电路频率的变化。

电源影响

供电功率的变化会影响频率，电源变化导致V cc变化，从而影响所产生的振荡频率。

为了避免这种情况的发生，实施了稳压电源系统，简称为 RPS。

输出负载变化

输出电阻或输出负载的变化会影响振荡器的频率。当连接负载时，储能电路的有效电阻会发生变化。

LC调谐电路的Q因数发生了变化，这就会导致振荡器的输出频率发生变化。

元件间电容的变化

元件间电容是在二极管和晶体管等 PN 结材料中产生的电容，这些是由于它们在操作过程中存在的电荷而产生的。

由于温度、电压等各种原因，元件间电容会发生变化。不过这个问题可以通过跨过有问题的元件间电容连接 电容来解决。

Q值

振荡器中的 Q（品质因数）值必须很高。调谐振荡器中的 Q 值决定了选择性。由于该 Q 与调谐电路的频率稳定性成正比，因此 Q 值应保持较高。

如果Q值的变化，将会影响到频率稳定性。

以上就是关于晶振的工作原理的一些知识点，下一篇将会讲一下晶振振荡电路，希望大家多多支持。

图片来源于网络

单片机常用电路1-晶振电路

在单片机的学习中，不光是单片机程序的编写，还有电路的设计。有些公司可能会把单片机开发分成两块：电路设计、程序设计。然后负责电路设计的人只负责电路设计，不用考虑单片机编程；程序设计的人只管单片机编程，不设计电路。

不过我个人认为，只搞电路设计的人可以不用关心单片机是怎么编程的，但是搞单片机程序设计的人，却必须要对电路很熟悉，你可以不用亲自设计电路，但是必须对单片机项目中各种电路的原理足够了解，这样才能确保设计出来的程序稳定、健壮。

举个例子来说吧，假如一个单片机系统中用到了EEPROM存储芯片，EEPROM芯片的SCL和SDA是开漏输出的，需要外接上拉电阻，假设电路板上的EEPROM芯片的SCL和SDA的上拉电阻忘记焊上或者坏掉了，这时候调试EEPROM是调不通的，如果这时候电路设计人员不在，而单片机程序设计人员又对EEPROM的原理不熟悉，就会陷入到麻烦中：因为对电路不熟悉，就会一遍一遍的查找程序的原因。可是程序明明没有问题啊，这个程序在别的项目中一直都是正常的，为什么在这个板子上就不行了呢？

还有一点，一般带有微控制器的电路板，电路功能是否正常，是需要编写一定的验证程序来测试电路板的性能的，单靠电路设计人员使用万用表、示波器等工具是无法验证电路的好坏的。

综上所述，单片机程序设计人员一定要对电路的原理熟悉，这样才能设计出正确的程序。

从本篇文章开始，我们就来简单学习一下单片机开发中常用的电路。

当然，由于本人水平有限，关于这些电路的讲解只限于简单原理的讲解。如果有错误，欢迎批评指正。

1. 单片机常用电路1-晶振电路

早期的单片机（比如经典的51单片机）系统，外接晶振是必须的（当然也可以外接时钟脉冲，但是很少用），因为单片机的运行必须依赖于稳定的时钟脉冲。但是随着技术的发展，现在很多单片机都已经集成了内部时钟，所以在一般的应用场合，可以不用外接晶振电路了。不过由于内部时钟容易受外界干扰，所以在要求严格的场合，晶振电路还是很有必要的。

晶振电路1

图1是典型的单片机外接晶振电路。

图1 单片机晶振电路

该电路不只是有一个晶振，还有两个电容，这两个电容有什么作用呢？

这两个电容一般称为“匹配电容”或者“负载电容”、“谐振电容”。晶振电路中加这两个电容是为了满足谐振条件。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。只有连接合适的电容才能满足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

负载电容的值由如下公式计算：

负载电容无法满足的话一般会使晶体频率产生偏差，严重的话晶体无法起振。电路设计中要尽量满足晶体的负载电容需求，从而使晶体工作在最佳状态。负载电容计算公式如下：

CL = C1*C2 / (C1+C2) + CS

CL为晶振的负载电容值，一般通过查询晶振的数据手册获得。CS为电路板的寄生电容，一般取 3~5pF，取C1 = C2，那么公式可以简化成如下：

CL = C1 / 2 + CS

一般情况下，增大负载电容的值会使振荡频率下降，减小负载电容的值，会使振荡频率上升。

晶振电路2

我们有时候还会看到如图2所示的晶振电路。

图2 不带并联电阻和带并联电阻的晶振电路

该电路中晶振上又并了一个电阻，这是为什么呢？

这个电阻实际上是反馈电阻，是为了方便晶振起振的。对于COMS而言，这个电阻的阻值可以是1M以上，对于TTL则是需要视情况而定。最好的办法是看看芯片的数据手册，确认芯片晶振电路内部是否有电阻，如果没有，电路设计时最好加上。

晶振电路3

图3是有源晶振电路。

图3 有源晶振电路

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。有源晶振不需要CPU的内部振荡器，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。

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