数字电路的“心脏”-晶振(基础知识,参数,应用电路）

1. 晶振的基础知识

石英晶体振荡器，简称#晶振#，它能够产生中央处理器(CPU)执行指令所必须的时钟频率信号，CPU一切指令的执行都是建立在这个基础上的，时钟信号频率越高，通常CPU的运行速度也就越快。只要是包含CPU的电子产品，都至少包含一个时钟源，就算外面看不到实际的振荡电路，也是在芯片内部被集成，由此它被称为数字电路的心脏。

晶振符号与实物

石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)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”。

晶振分为有源晶振和无源晶振，二者区别如下：无源晶振称为晶体，是无极性元件，一般有2个引脚，本身不能振荡,依靠配合其他IC内部振荡电路工作;而有源晶振则是晶体+振荡电路，封装在一起。给他供上电源，就有波形输出。有源晶振4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等)，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。

2.晶振的主要参数

①标称频率，就是晶体元件规格书中所指定的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。晶振常用标称频率在1～200MHz之间，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等，更高的输出频率也常用PLL(锁相环)将低频进行倍频至1GHz以上。

② 输出信号的频率不可避免会有一定的偏差，我们用频率误差或频率稳定度，用单位ppm来表示，即百万分之一(partsper million)(1/106)，是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高。比如，12MHz晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz，即频率范围是(11999760～12000240Hz)

③还有一个温度频差，表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，它的单位也是ppm。

④负载电容CL，它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容)，主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

3.晶振好坏的测量

①用万用表测晶振两端的电阻值，若为无穷大，说明晶振无短路或漏电;

②用数字电容表测量其电容，一般损坏的晶振容量明显减小(不同的晶振其正常容量具有一定的范围，可测量好的得到，一般在几十到几百PF)。

③贴近耳朵轻摇，有声音就一定是坏的(内部的晶体已经碎了，还能用的话频率也变了)。

④测试输出脚电压。一般正常情况下，大约是电源电压的一半。因为输出的是正弦波(峰峰值接近源电压)，用万用表测试时，就差不多是一半啦。

⑤用代换法或示波器测量。

3.晶振的应用电路

晶振用在单片机最小系统中

画PCB时注意晶振下面不要布线，避免引起干扰。

审核编辑：汤梓红