科普：晶体起振

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科普：晶体起振 [复制链接]

       石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器、手机等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。可以说只要需要稳定时钟的地方，就必需要有晶体振荡器。

        先来认识一下本期的主角“晶体振荡器”，常见晶体振荡器有两类，一类是无源晶体，也叫无源晶振，另一类是有源晶振，也叫钟振。


多说无益，上图！

HC-49S

HC-49S/SMD

      无源晶体以以上两种封装的晶体最为常用，广泛应用于普通设备上，尤其是嵌入式设备，若对体积大小有要求，可以选择更小的贴片封装。


       当前消费类电子如手机，MP4，笔记本等，3225封装最为常用。具体参数太多了，可以去我们官方网站Easy-Key了解，Easy-Key作为专业频率器件服务商,收录全球2800亿料号规格，5000+原厂系列，300+品牌。是您的好帮手。


       无源晶体说穿了就是封装了一下晶体，在晶体两面镀上电极引出两根线即可，那么有源晶振就是在无源晶体的基础上加了一个晶体振荡电路，比如采用一个74HC04或者54HC04之类的非门与晶体勾通三点式电容振荡电路，所以它具有电源，地，时钟输出三个脚，有些还会增加一个脚，就是晶振工作控制脚，当不需要工作的时候，可以关掉晶振降低功耗。

图4

        晶振有一个很可贵的特性是它具有压电效应。如图4所示，如果在晶体片上施加压力时，在晶体的某个方向的两面就会产生电荷：一个表面产生正电荷，而另一个表面产生负电荷；如果将压力改为张力(拉力)时，则产生电荷性质正好相反，我们把这种质称为石英晶体的正压电效应。反之，如果在晶体两面加上电压时，它就会产生伸张或收缩的运动，这种性质称为石英晶体的反压电效应。

图5

       图5所示为晶振的等效电路和实验电路，由于石英晶体具有反压电效应，在交流电压的作用下，晶体便会发生周期性的机械振动，又因为它具有压电效应，在作周期性的机械振动时，又将引起晶体两面电荷性质的周期性变化，所以，便在电路中形成一正弦交流电流i。交流电流的大小是与机械振动的幅度成正比的，也即与外加交流电压的幅度成正比。


       石英晶体机械振的幅度及交流电流的大小是与外加交流电压的频率有关的，当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，机械振动的振幅及交流电流都为最大，这种现象称为石英晶体的压电谐振，它相当于LC回路的串联谐振。因此，如图5(a)所示，可以把晶振等效为一个LC串联的谐振回路，又因在晶体片上镀有一层金属，这相当于在它的两端并联了一个附加电容C0。


      基于此，晶振的应用十分广泛，由等效电路可知，晶体的等效电感量很大，等效电容量很小，因此它是一种具有很高Q值谐振元件。晶振常用在振荡和滤波器电路中，它具有很高的频率稳定度和选频作用，工作非常稳定可靠。家电中彩色电视机(行振荡、遥控器)、录像机和游戏机应用最多。


      振荡器的原理其实都是差不多的，都是要满足条件Aβ=-1，因此在单片机里面一个反馈电路是肯定存在的。晶体的话是压电感应设备，并且只对其谐振频率敏感（可以理解为谐振频率时共振引起大范围变形，从而起振）。所以应该是上电时单片机内部反相放大器产生电子扰动，多频率发出，但是晶体只对谐振频率反应，起振放大再反馈再放大最终完成起振过程，起振过程的维持也是通过反馈电路来维持的。