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晶振簡述

晶振是什么?全稱是石英晶體振蕩器,是一種高精度和高穩定度的振蕩器。通過一定的外接電路來,可以生成頻率和峰值穩定的正弦波。而單片機在運行的時候,需要一個脈沖信號,做為自己執行指令的觸發信號,可以簡單的想象為:單片機收到一個脈沖,就執行一次或多次指令。

工作原理

石英晶體振蕩器是高精度和高穩定度的振蕩器,被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中,以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。
石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件,它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關 。

主要參數

參數 基本描述
頻率準確度 在標稱電源電壓、標稱負載阻抗、基準溫度(25℃)以及其他條件保持不變,晶體振蕩器的頻率相對與其規定標稱值的最大允許偏差,即(fmax-fmin)/f0;
溫度穩定度 其他條件保持不變,在規定溫度范圍內晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對于溫度范圍內輸出頻率極值之和的允許頻偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin);
頻率調節范圍 通過調節晶振的某可變元件改變輸出頻率的范圍。
調頻(壓控)特性 包括調頻頻偏、調頻靈敏度、調頻線性度。
①調頻頻偏:壓控晶體振蕩器控制電壓由標稱的最大值變化到最小值時輸出頻率差。
②調頻靈敏度:壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸出頻率的變化量。
③調頻線性度:是一種與理想直線(最小二乘法)相比較的調制系統傳輸特性的量度。
負載特性 其他條件保持不變,負載在規定變化范圍內晶體振蕩器輸出頻率相對于標稱負載下的輸出頻率的最大允許頻偏。
電壓特性 其他條件保持不變,電源電壓在規定變化范圍內晶體振蕩器輸出頻率相對于標稱電源電壓下的輸出頻率的最大允許頻偏。
雜波 輸出信號中與主頻無諧波(副諧波除外)關系的離散頻譜分量與主頻的功率比,用dBc表示。
諧波 諧波分量功率Pi與載波功率P0之比,用dBc表示。
頻率老化 在規定的環境條件下,由于元件(主要是石英諧振器)老化而引起的輸出頻率隨時間的系統漂移過程。通常用某一時間間隔內的頻差來量度。對于高穩定晶振,由于輸出頻率在較長的工作時間內呈近似線性的單方向漂移,往往用老化率(單位時間內的相對頻率變化)來量度。
日波動 指振蕩器經過規定的預熱時間后,每隔一小時測量一次,連續測量24小時,將測試數據按S=(fmax-fmin)/f0式計算,得到日波動。
開機特性 在規定的預熱時間內,振蕩器頻率值的最大變化,用V=(fmax-fmin)/f0表示。
相位噪聲 短期穩定度的頻域量度。用單邊帶噪聲與載波噪聲之比£(f)表示,£(f)與噪聲起伏的頻譜密度Sφ(f)和頻率起伏的頻譜密度Sy(f)直接相關,由下式表示: f2S(f)=f02Sy(f)=2f2£(f) f—傅立葉頻率或偏離載波頻率;f0—載波頻率。

應用

晶振在應用具體起到的作用,微控制器的時鐘源可以分為兩類:基于機械諧振器件的時鐘源,如晶振、陶瓷諧振槽路;RC(電阻、電容)振蕩器。一種是皮爾斯振蕩器配置,適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立RC振蕩器。基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數。RC振蕩器能夠快速啟動,成本也比較低,但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內精度較差,會在標稱輸出頻率的5%至50%范圍內變化。但其性能受環境條件和電路元件選擇的影響。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。

1通用晶體振蕩器,用于各種電路中,產生振蕩頻率

晶體振蕩頻率,也是工程師在電路設計和元件選購時首要關注的參數。晶振常用標稱頻率在1~200MHz之間,比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等,更高的輸出頻率也常用PLL(鎖相環)將低頻進行倍頻至1GHz以上。我們稱之為標稱頻率。

2時鐘脈沖用石英晶體諧振器,與其它元件配合產生標準脈沖信號,廣泛用于數字電路中

晶振作為數字電路中的心臟,晶振在智能產品中是如何發揮作用的呢?以智能家居如空調、窗簾、安防、監控等產品來說,都需要無線傳輸模塊,它們通過藍牙、WIFI或ZIGBEE等協議,將模塊從一端發到另一端,或直接通過手機控制,而晶振就是無線模塊里的核心元件,影響著整系統的穩定性,所以選擇好系統使用的晶振,決定了數字電路的成敗。

3微處理器用石英晶體諧振器

為改善石英晶體振蕩器的頻率特性,減小溫度影響,通過對石英晶體振蕩器的頻率一溫度特性的研究,提出了以微處理器(STC89C52 RC)為核心的基于AT切晶體諧振器的溫度補償技術,并介紹了系統結構、補償原理及硬件電路,給出了補償結果。本設計具有結構簡單、功耗低等優點。

選型

晶體振蕩器被廣泛應用到軍、民用通信電臺,微波通信設備,程控電話交換機,無線電綜合測試儀,BP機、移動電話發射臺,高檔頻率計數器、GPS、衛星通信、遙控移動設備等。它有多種封裝,特點是電氣性能規范多種多樣。
它有好幾種不同的類型:電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)、恒溫晶體振蕩器(OCXO),以及數字補償晶體振蕩器(MCXO或DTCXO),每種類型都有自己的獨特性能。如果需要使設備即開即用,您就必須選用VCXO或溫補晶振,如果要求穩定度在0.5ppm以上,則需選擇數字溫補晶振(MCXO)。模擬溫補晶振適用于穩定度要求在5ppm~0.5ppm之間的需求。VCXO只適合于穩定度要求在5ppm以下的產品。在不需要即開即用的環境下,如果需要信號穩定度超過0.1ppm的,可選用OCXO。

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