《晶振的工作原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶振的工作原理（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、晶振的工作原理：晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电 容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振， 较高的频率是并联谐振。 由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就 会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成 正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件 的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振的参数：晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容 值相
2、等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。晶振的应用：一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不 是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容 的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意 一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或，如果再考虑元件引脚的等效输入电容， 则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。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（谐振）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
3、振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；有源晶振是一个完整的谐振振荡 晶振的种类：谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振 器，LC谐振器等。晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道， 若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板 间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。女口 在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又 会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率
4、则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的 尺寸）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，因此 石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。晶振的万用表测试方法：小技巧：没有示波器情况下如何测量晶振是否起振 ？可以用万用表测量晶振两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半，比如工作电压是5V则测出的是否是左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚，这个 电压有明显变化，证明是起振了的.小窍门：就是弄一节的电池接在晶振的两端把晶振放到耳边仔细的听，当听 到哒哒的声音那就说明它起振了，就是好的嘛！1.电阻法 把万用表拨在RX 10K挡，测量石英晶体两引脚间的电
5、阻值应为无穷大。如 果测量出的电阻值不是无穷大甚至接近于零，则说明被测晶体漏电或击穿。这种办法只能测晶体是否漏电，如果晶体内部出现断路，电阻法就无能为力了，此时必须采用下面介绍的方法2.自制测试器按图所示电路，焊接一个简易石英晶体测试器，就可以准确地测试出晶体的 好坏。图中XS1、XS2两个测试插口可用小七脚或小九脚电子管管座中拆下 来的插口。LED发光管选择高亮度的较好。检测石英晶体时，把石英晶体的两个管脚插入到 XS1和XS2两个插口中，按 下开关SB如果石英晶体是好的则由三极管 VT1、C1、C2等元器件构成的震 荡电路产生震荡，震荡信号经 C3耦合至VD2检波，检波后的直流信号电压 使
6、VT2导通，于是接在VT2集电极回路中的LED发光，指示被测石英晶体是 好的，如果LED不亮，则说明被测石英晶体是坏的.本测试器测试石英晶体 的频率很宽，但最佳工作频率为几百千赫至几十兆赫。rnlaTOLIk8飢lMl IN4148口-2S?200 01IMUS一个简易石英晶体测试器晶振的稳定性指标 总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的 晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性 和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心， 而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如：精密
7、制导雷达。频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。一个晶振的 输出频率随时间变化的曲线如图2。图中表现出频率不稳定的三种因素：老 化、飘移和短稳。曲线1是用秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线 3是用100秒测量 一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线4是用1天一次测量的情况。表现了 晶振的老化。频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含 基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。ft二 士(fmax -fmin)/(fmax+fmin)ftref = MAX| (fmax-fref)/fref |,| (fmin-fref)/fref| ft :频率温度
8、稳定度(不带隐含基准温度)ftref :频率温度稳定度(带隐含基准温度)fmax :规定温度范围内测得的最高频率fmin :规定温度范围内测得的最低频率fref :规定基准温度测得的频率说明：采用ftref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用 ft指标的晶体 振荡器,故ftref指标的晶体振荡器售价较高。开机特性（频率稳定预热时间）：指开机后一段时间（如5分钟）的频率到开 机后另一段时间（如1小时）的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。 这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。说明：在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振 荡器需要频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间
9、指标需要被考虑到（尤 其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度（ -45 C85C），采用OCXC作为本振，频率稳定预热时间将不少于 5分 钟，而采用MCXC只需要十几秒钟）。频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之 间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造 成的，因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如 士 10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如： 士 1ppm/ （第一年）和士 5ppm/ （十年）来表示。晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构
10、工艺 缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿”的 晶体切割方法（SC切割法）使晶体有较好的特性。污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化，振荡频率越高，所用的晶体片就越薄，这种影响就越厉害。这种影响要经过一段较长的 时间才能逐渐稳定，而且这种稳定随着温度或工作状态的变化会有反复一一 使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此，频率低的晶振比频率高的晶振、 工作时间长的晶振比工作时间短的晶振、 连续工作的晶振比断续工作的晶振 的老化率要好。说明：TCXO的频率老化率为：士 2ppm （第一年）和士 Ippmr 士 5ppm（十 年）（除特殊情况，TCXO艮少采用
11、每天频率老化率的指标，因为即使在实验 室的条件下，温度变化引起的频率变化也将大大超过温度补偿晶体振荡器每 天的频率老化，因此这个指标失去了实际的意义）。OCXC的频率老化率为： 10ppb/天（加电 72 小时后）,士30ppb 2pp（第一年）, 3ppm （十年）。短稳：短期稳定度，观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。晶振的输出频率受到内部电路的影响（晶体的Q值、元器件的噪音、电路的 稳定性、工作状态等）而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后， 用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以反映短稳的情况（要有专用仪器测量）。重现性：定义：晶振经长时间工作稳定后关机，停机一段
12、时间t1（如24小时）， 开机一段时间t2（如4小时），测得频率f1，再停机同一段时间t1，再开机 同一段时间t2，测得频率f2。重现性=（f2-f1）/f2 。频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡 器频率的最小峰值改变量。说明：基准电压为+,规定终点电压为+和+,压控晶体振荡器在+频率控制电压时频率改变量为-2ppm,在+频率控制电压时频率改变量为+,则VCXO电压控制频率压控范围表示为：士 2ppn 2V),斜率为正，线性为+%压控频率响应范围：当调制频率变化时，峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。说明：VCX
13、O率压控范围频率响应为 010kHz。频率压控线性：与理想(直线)函数相比的输出频率 -输入控制电压传输特 性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。说明：典型的VCXO率压控线性为：w 士 10% 士 20%简单的VCXO率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时)：频率压控线性= (fmax - fmin)/ f0) x 100%fmax： VCXOt最大压控电压时的输出频率fmin : VCXOt最小压控电压时的输出频率f0 :压控中心电压频率单边带相位噪声 (f):偏离载波f处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。输出波形：从大类来说，输出波形可以分为方波和正
14、弦波两类。方波主要用于数字通信系统时钟上，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。随着科学技术的迅猛发展，通信、雷达和高速数传等类似系统中，需要高质 量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。 因为一个带有寄生调幅及调相 的载波信号（不干净的信号）被载有信息的基带信号调制后，这些理想状态 下不应存在的频谱成份（载波中的寄生调制）会导致所传输的信号质量及数 传误码率明显变坏。所以作为所传输信号的载体，载波信号的干净程度（频 谱纯度）对通信质量有着直接的影响。对于正弦波，通常需要提供例如谐波、 噪声和输出功率等指标。晶振的应用：国3虹外握射电路2 3QQQQ图3为红外线
15、发射出电路。图A图4为晶振式发射机电路。电路中J、VD1、L1、C3C5、V1组成晶体振荡电路。由于石 英晶体J的频率稳定性好，受温度影响也较小，所以广泛用于无绳电话及A V调制器中是2 93 6MHz晶体振荡三极管，发射极输出含有丰 富的谐波成分，经V2放大后，在集电极由C7、L2构成谐振于881 0 8MHz的网络选出3倍频信号（即8 71 0 8MHz的信号最强）， 再经V3放大，L3、C9选频后得到较理想的调频频段信号。频率调制的 过程是这样的，音频电压的变化引起VD1极间电容的变化，由于VD1与 晶体J串联，晶体的振荡频率也发生微小的变化，经三倍频后，频偏是2 9 3 6MHz晶体频偏的3倍。实际应用时，为获得合适的调制度，可选择调 制频偏较大的石英晶体或陶瓷振子， 也可以采用电路稍复杂的612倍频 电路。若输入的音频信号较弱，可加上一级电压放大电路。IkCZJ7 *IC55&615Rj Ik t WQkHzA lI pTb-1图555岳组成晶振电路图5是晶振在时基振荡电路555的应用。晶振在门电路中晶振两种常用的接法: i.这种接法的优点就是起振容易，适应频率范围比较宽。具体频率范围本人 不记得了。2.这种接法的优点接法简单，缺点是
