晶振是每個微控制器系統里都要用到的時鐘元件，全稱叫晶體震蕩器，在微控制器系統里晶振的作用非常大，其結合微控制器內部的電路，產生微控制器所必須的時鐘頻率，微控制器的一切指令的執行都是建立在這個基礎上的，晶振提供的時鐘頻率越高，那微控制器的運行速度也就越快。那么什么是晶振?其的作用時什么?原理又是什么?下面一起來看看吧：

1.概念

晶振是石英振蕩器的簡稱，英文名為晶振，是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片)，它是時鐘電路中最重要的部件。而在封裝內部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。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。

2.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

3.工作原理

晶振是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件，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。

晶振一般采用如圖2a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路;實際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來調節振蕩頻率，一般用變容二極管加上不同的反偏電壓來實現，這也是壓控作用的機理;把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。

圖2 晶振電路原理圖

分析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個槽路電容C=Cbe，Cce，Cv三個電容串聯后和Co并聯再和C1串聯。可以看出：C1越小，Co越大，Cv變化時對整個槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實際上，由于C1很小(1E-15量級)，Co不能忽略(1E-12量級，幾PF)。所以，Cv變大時，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時，升高槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害;另一方面，分給振蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來越小，最后導致停振。采用泛音次數越高的晶振，其等效電容C1就越小;因此頻率的變化范圍也就越小。

4.作用

(1)為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步，有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。

(2)晶振與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。

5.主要參數

(1)頻率公差：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;

(2)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);

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

(7)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。

(8)諧波：諧波分量功率Pi與載波功率P0之比，用dBc表示。

(9)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。

(10)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。

(11)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。

6.應用

(1)通用晶體振蕩器，用于各種電路中，產生振蕩頻率。

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

(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。

7.測量好壞

(1)用萬用表(R×10k擋)測晶振兩端的電阻值，若為無窮大，說明晶振無短路或漏電;再將試電筆插入市電插孔內，用手指捏住晶振的任一引腳，將另一引腳碰觸試電筆頂端的金屬部分，若試電筆氖泡發紅，說明晶振是好的;若氖泡不亮，則說明晶振損壞。

(2)用數字電容表(或數字萬用表的電容檔)測量其電容，一般損壞的晶振容量明顯減小(不同的晶振其正常容量具有一定的范圍，可測量好的得到，一般在幾十到幾百PF)。

(3)貼近耳朵輕搖，有聲音就一定是壞的(內部的晶體已經碎了，還能用的話頻率也變了)。

(4)測試輸出腳電壓。一般正常情況下，大約是電源電壓的一半。因為輸出的是正弦波(峰峰值接近源電壓)，用萬用表測試時，就差不多是一半啦。

(5)用代換法或示波器測量。

本文詳細地介紹了晶振的概念、構造、原理、作用以及應用。晶振可根據客戶的需要制作各種類型、不同尺寸的晶體振蕩器(具體資料請參看產品手冊)。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。所以，小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。

審核編輯 ：李倩