晶振的工作原理

1、晶振的工作原理晶振的工作原理：晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，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頻率的距離相當?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路，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，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振的參數(shù)：晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相

2、等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。晶振的應用：一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構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源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振需

3、要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準確；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。晶振的種類：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，從物理學中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機械變形；反之，若在極板間施加機械力，又會在相應的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機械變形振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但

4、當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點是頻率穩(wěn)定度很高。晶振的萬用表測試方法：小技巧：沒有示波器情況下如何測量晶振是否起振?可以用萬用表測量晶振兩個引腳電壓是否是芯片工作電壓的一半，比如工作電壓是5V則測出的是否是2.5V左右。另外如果用鑷子碰晶體另外一個腳，這個電壓有明顯變化，證明是起振了的.小竅門：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的聽，當聽到噠噠的聲音那就說明它起振了，就是好的嘛！1.電阻法把萬用表撥在R10K擋，測量石英晶體兩引腳間的電阻值應為無窮大

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

6、電極回路中的LED發(fā)光，指示被測石英晶體是好的，如果LED不亮，則說明被測石英晶體是壞的.本測試器測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。 一個簡易石英晶體測試器晶振的穩(wěn)定性指標總頻差：在規(guī)定的時間內(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稱頻率的最大偏差。說明：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載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關心，而對其他頻率穩(wěn)定度指標不嚴格要求的場合采用。例如：精密制導雷達。頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對的，程度不同而已。一個晶振的輸出頻率隨時間變化的曲線如圖2。圖

7、中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。圖2 晶振輸出頻率隨時間變化的示意圖曲線1是用0.1秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4 是用1天一次測量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。頻率溫度穩(wěn)定度：在標稱電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準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(不帶隱含基準溫度)ftref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準溫度)fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高

8、頻率fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率fref：規(guī)定基準溫度測得的頻率說明：采用ftref指標的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標的晶體振蕩器,故ftref指標的晶體振蕩器售價較高。開機特性（頻率穩(wěn)定預熱時間）：指開機后一段時間(如5分鐘)的頻率到開機后另一段時間(如1小時)的頻率的變化率。表示了晶振達到穩(wěn)定的速度。這指標對經(jīng)常開關的儀器如頻率計等很有用。說明：在多數(shù)應用中，晶體振蕩器是長期加電的，然而在某些應用中晶體振蕩器需要頻繁的開機和關機，這時頻率穩(wěn)定預熱時間指標需要被考慮到（尤其是對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當要求頻率溫度穩(wěn)定度0.3ppm(-4585)，采用OCXO作

9、為本振，頻率穩(wěn)定預熱時間將不少于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)境條件下測量振蕩器頻率時，振蕩器頻率和時間之間的關系。這種長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)定時限后的最大變化率（如10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如：1ppm/（第一年）和5ppm/（十年）來表示。晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時候存在應力、污染物、殘留氣體、結構工藝缺陷等問題。應力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應力補償”的晶體切割方法（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沉積在晶

10、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)過一段較長的時間才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會有反復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、工作時間長的晶振比工作時間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。說明：TCXO的頻率老化率為：0.2ppm2ppm（第一年）和1ppm5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標，因為即使在實驗室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個指標失去了實際的意義）。 OCXO的頻率老化率為：

11、0.5ppb10ppb/天（加電72小時后），30ppb2ppm（第一年），0.3ppm3ppm（十年）。短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時間為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。測量一連串的頻率值后，用阿倫方程計算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專用儀器測量)。重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長時間工作穩(wěn)定后關機，停機一段時間t1(如24小時)，開機一段時間t2(如4小時)，測得頻率f1，再停機同一段時間t1，再開機同一段時間t2，測得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。頻率壓控范圍

12、：將頻率控制電壓從基準電壓調(diào)到規(guī)定的終點電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。說明：基準電壓為2.5V，規(guī)定終點電壓為0.5V和4.5V，壓控晶體振蕩器在0.5V頻率控制電壓時頻率改變量為-2ppm，在4.5V頻率控制電壓時頻率改變量為2.1ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：2ppm(2.5V2V)，斜率為正，線性為+2.4%。壓控頻率響應范圍：當調(diào)制頻率變化時，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準頻率低若干dB表示。說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應為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

13、分數(shù)表示整個范圍頻偏的可容許非線性度。說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：10%，20%。簡單的VCXO頻率壓控線性計算方法為(當頻率壓控極性為正極性時)：頻率壓控線性(fmax-fmin)/ f0)100%fmax：VCXO在最大壓控電壓時的輸出頻率fmin：VCXO在最小壓控電壓時的輸出頻率f0：壓控中心電壓頻率單邊帶相位噪聲(f)：偏離載波f處，一個相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。輸出波形：從大類來說，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上，對方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時間、驅(qū)動能力等幾個指標要求。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，通信、雷達和高速數(shù)傳等

14、類似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號源作為日趨復雜的基帶信息的載波。因為一個帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號（不干凈的信號）被載有信息的基帶信號調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會導致所傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變壞。所以作為所傳輸信號的載體，載波信號的干凈程度（頻譜純度）對通信質(zhì)量有著直接的影響。對于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標。晶振的應用：圖3為紅外線發(fā)射出電路。圖4為晶振式發(fā)射機電路。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、構成諧振于的網(wǎng)絡選出倍頻信號（即的信號最強），再經(jīng)放大，、選頻后得到較理想的調(diào)頻頻段信號。頻率調(diào)制的過程是這樣的，音頻電壓的變化引起極間電容的變化，由于與晶體串聯(lián)，晶體的振蕩