談談晶振的必要性、作用、原理及其常見問題

什么是晶振

定義 ：晶振一般指石英晶體振蕩器，也叫晶體振蕩器。它是時鐘電路中最重要的部件。

晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產(chǎn)生機械變形。因此，它利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號。

晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性、品質因數(shù)、小尺寸和低成本 ，這使得它們優(yōu)于其他諧振器，如LC電路、陶瓷諧振器、轉叉等。

晶振的基本結構

晶體的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，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。

圖1 石英晶體諧振器結構

晶振的主要參數(shù)

1.標稱頻率：指晶體規(guī)格書中所指定的頻率。晶振常用標稱頻率在1～200MHz之間，若要獲得更高的輸出頻率則常用PLL（鎖相環(huán)）將低頻進行倍頻來獲得。

2.頻率精度、頻率穩(wěn)定度：用單位ppm來表示，即百萬分之一（1/106），是相對標稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。如24MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為24MHz×20ppm=±480Hz。

3.溫度頻差：指在特定溫度范圍內，工作頻率相對于基準溫度時工作頻率的偏離，單位也是ppm。

4.負載電容CL：它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容（不是晶振外接的匹配電容），主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調整負載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調到標稱值。負載電容是無源晶振非常重要的參數(shù)，因為無源晶體屬于被動元器件，無源晶振自身并不能工作，需要外部元器件協(xié)助工作。

CS為晶體兩個管腳間的寄生電容（Shunt Capacitance）

CD表示晶體振蕩電路輸出管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CO、外加匹配電容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2。

CG表示晶體振蕩電路輸入管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CI、外加匹配電容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1。

一般CS為1pF左右，CI與CO一般為幾個皮法，具體可參考芯片或晶振的數(shù)據(jù)手冊。

注意：負載電容不等于匹配電容。

晶振的工作原理

石英晶體振蕩器是利用石英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，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(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

壓電效應：若在石英晶體的兩個電極上加上一電場，晶片就會產(chǎn)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(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。

晶振的工作原理圖（來源于網(wǎng)絡）

晶振的應用

(1)通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。

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

(3)微處理器用石英晶體諧振器。

(4)CTVVTR用石英晶體諧振器。(5)鐘表用石英晶體振蕩器。

單片機晶振的必要性

單片機是一種集成了處理器核心、內存和可編程輸入輸出端口的微型計算機芯片。為了執(zhí)行程序指令和管理各種外設，單片機需要一個時鐘信號來同步其內部操作。晶振為單片機提供了一個穩(wěn)定的時鐘源，確保了程序的準確執(zhí)行和外設的同步工作。

對于單片機來說晶振是很重要的，可以說是沒有晶振就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期就無法執(zhí)行程序代碼，那樣的話單片機就無法工作。

單片機晶振電路原理：

單片機晶振電路通常由石英晶體、負載電容和有時的放大電路組成。石英晶體是一種具有高品質因數(shù)（Q值）的諧振器，當通過適當?shù)碾娦盘柤顣r，它會在其固有頻率上振動。這個振動頻率非常穩(wěn)定，受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響較小。負載電容與晶體串聯(lián)或并聯(lián)，用于調整振蕩電路的頻率和穩(wěn)定性。在某些情況下，可能需要一個放大器來增強晶振的信號。

單片機晶振的作用：

1.提供時鐘信號：晶振為單片機提供了必要的時鐘信號，這是單片機執(zhí)行程序和進行數(shù)據(jù)處理的基礎。

2.確保穩(wěn)定性：由于晶振的頻率穩(wěn)定性很高，它可以保證單片機系統(tǒng)在不同條件下的穩(wěn)定運行。

3.同步操作：晶振使得單片機內部的各個部件能夠同步工作，包括內存訪問、數(shù)據(jù)傳輸和外設控制。

4.通信準確性：在涉及通信的應用中，晶振確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性，因為它提供了精確的波特率。

單片機晶振常見問題：

1.頻率偏移：由于溫度變化、負載電容不匹配或晶體本身的缺陷，晶振的實際工作頻率可能會偏離標稱頻率。

2.啟動困難：在某些情況下，晶振可能無法啟動振蕩，導致單片機無法正常工作。

3.噪聲問題：晶振可能會受到來自電源、數(shù)字電路或其他外部干擾的影響，產(chǎn)生噪聲。

4.機械應力：如果安裝不當，機械應力可能會影響晶振的性能。

5.老化：隨著時間的推移，晶振的頻率可能會因為晶體的老化而發(fā)生變化。