电测知识分享——三千字解读时钟电路最重要部件，电测人快收藏！

晶振作为时钟电路中最重要的部件，在电路中起着产生震荡频率的作用，可以产生高度稳定的信号，并稳定工作环境，为系统提供基本的时钟信号，在工业、科技、车载、数码、电子等多个领域几乎都有应用场景。

今天，我们就来一起学习下晶振的相关知识。

名词定义

晶振全称为晶体振荡器，由石英晶体经过加工并镀上电极制成，本质上是一个使用压电效应的电子振荡器电路，利用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号。晶振的特性是通电后产生机械震荡，可以给单片机提供稳定的时钟源，提供的时钟频率越高，单片机运行速度越快。晶振在共振的状态下工作，可以提供稳定，精确的单频振荡。

晶振类型

按制作材料分类：可分为石英晶振和陶瓷晶振。

按应用特性分类：可分为串联谐振型晶振和并联谐振型晶振。

按负载电容特性分类：可分为低负载电容型晶振和高负载电容型晶振。

按晶振的功能和实现技术分类：可以将晶振分为温度补偿晶体振荡器（TCXO）、压控晶体振荡器（VCXO）、普通晶体振荡器（SPXO）、恒温晶体振荡器（OCXO）。

按封装形式分类：可分为玻璃真空密封型晶振、金属壳封装型晶振、陶瓷封装型及塑料壳封装型晶振。

按外形分类：可分为长方形晶振、圆柱形晶振、椭圆形晶振。

按谐振频率精度分类：可分为高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。

根据晶振的功能和实现技术的不同，可以将晶振分为以下四类：

1）恒温晶体振荡器（OCXO）

OCXO晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。

OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。

2）温度补偿晶体振荡器（TCXO）

TCXO对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。

3）普通晶体振荡器（SPXO）

SPXO是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分，完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

4）压控晶体振荡器（VCXO）

压控晶体振荡器（VCXO）是通过红外加控制电压使振荡效率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。VCXO是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。

OCXO参数

OCXO晶振的主要参数有标称频率、频率精度、频率稳定度、频率老化、功耗、工作温度等。

(1)尺寸(Dimension) : 晶振的外形大小，区分SMD和THT两种安装形式；

(2)标称频率(MHz): 这是最振输出的基准频率，也称频点。如果该频点与应用不符合，用户可向晶振厂家订制专门的频点；

(3)电源电压(VCC) : 晶振工作必须的电压，一般为3.3V/5V/12V；

(4)工作温度(Operating temp.range): 振荡器能正常工作。其频率及其他性能均不超过规定的允许偏差的温度范围；

(5)频率精度 (frequency tolerance) : 这是按规定条件，在+25°C基准温度下测试，晶体振荡器的频率相对于其标称值的最大允许偏差，即 (f-fo) /f0，单位为ppm；

(6)频率稳定度(Frequency stability) : 也称温漂，指输出频率相对于温度的漂移。按规定条件要求，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即+ (fmax-fmin) / (fmax+fmin) ，单位为ppm；

(7)输出功率(Output Power) : 加规定电压和规定负载下，振荡器消耗的电能，用电压和省耗电流的积表示，单位为dBm；

(8)输出电压(正弦波) : 施加规定的电压和负载，在规定的时间内达到稳定后，用RF表测得的有效值或用示波器测量电压峰-峰值后换算的有效值；

(9)谐波失真: 用不希望的信号频谐分量和有用信号频率的谐波关系描述的非线形失真；

(10)稳定时间(settle time): 在+25C下，以通上电源60分钟后的频率为基准来调整频率偏差至指定偏差以内所需的时间；

(11)相位噪声 (Phase Noise) : 是指信号功率和噪声功率的比率(C/N)，是表征频率颤料的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声；

(12)年老化率(Aging/year) : 晶体振荡器输出频率随时间的变化，通常用一年为单位的频率来量度，单位为ppm。

应用领域

移动电子设备：智能手机、ipad、移动pos机、笔记本电脑、照相机、摄像机、耳机、音响等。

医疗设备：x射线诊断设备、超声诊断设备、功能检查设备、内窥镜检查设备、核医学设备、实验诊断设备及病理诊断装备等。

通讯网络：通信网络通常分有线和无线通信。有线通信涵盖的技术领域包括：光输网络、数据处理、连接功能等。无线网络涵盖的技术领域通包括基带、连接口、无线电等。 OCXO主要用途为通信基站、智能电网、测试及量测设备，以及雷达、制导等军事和宇航等领域，并不断向小型化、高精度、高可靠、低功耗技术方向发展。封装上，OCXO由传统的裸金属外壳夏塑料金属向陶瓷封装转变，这大大缩小了器件体积。在高精度和高稳定度上，一些厂家已经采用双层恒温设计，开发出双层恒温石英振荡器(DOCXO)。对于一些更高精度的导航应用，引入GPS驯服信号的驯服晶振(GPSDO) 具有优良的短、中、长期信号稳定度，性能可与原子钟媲美，并有可能取代细分市场中的OCXO应用。

晶振作用

1.为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

2.晶振与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

切割工艺

切割工艺，就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类，因为石英是各向异性的，所以不同的切型其物理性质不同，切面的方向与主轴的夹角对其性能有非常重要的影响，比如: 频率稳定性，Q值，温度性能等。

常见的切割类型有两种，AT和BT切。

同种种频率的晶振，AT切比BT切的温度系数要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。

晶振测试

1）示波器检测法

晶振在激发时会产生正弦波，如果在时钟引脚上查看代表正弦波的波形是合适的。测试注意如下：

1.将晶振一端连接到示波器表笔探头，鳄鱼夹就近接地进行测量。为了更好的信号保证度，可以使用接地弹簧；

2.探头的输入电容比最振的负载电容要大，当使用不恰当的探头进行测量时可能会引起晶振停振。测量晶振时需要将探头挡位调为X10档，减少探头输入电容。下图是是德科技一些无源探头的规格参数，如果有条件可以使用有源探头，有源探头通常输入电容能达到2pF以下；

3. 要显示完美的方波，至少需要5倍的带宽，比如需要测试60MHZ频率的方波晶振，需要使用300MH2带宽的示波器。同时示波器探头也要满足带宽要求；

4. 一般示波器是基于周期测量结果反算频率，测量误差较大。最好选用内置频率计功能的示波器；

2）频率计数器检测法

在设备电源“打开”时进行测量。将仪表或频率计数器的探头放在晶振引脚上并读取测量确保使用的频率计数器表的范围高于正在检查的晶振频率；

3）频谱仪测试晶振

频谱仪可以测量晶振的频偏，连接好仪器后可以查看中心频率点即晶振的频率，如下图所示:

4）测试电路检测法

显示器件能够显示字符和符号，在电子设备中的应用日益广泛。LED (发光二极管)数码管和液晶显示屏是应用最普遍的显示器件；

通常，将晶振放置在晶体管的反馈网络中。如果振荡并且LED亮起，这意味着晶振正在运行。如果晶振不工作，LED将熄灭。

——作者 君鉴科技/杨洋

——来源 每日E问eteforum

审核编辑 黄宇