石英晶体音叉：为什么它成为电子计时的首选？

 

石英晶体音叉或手表晶体是最古老的石英晶体设计之一。音叉最初用于手表和钟表的计时，现在也用于计算机等现代电子产品中，作为实时时钟 （RTC）。全球供应商每年生产数亿个这种形状独特的石英晶体。音叉晶体有多种尺寸可供选择，以满足设计需求，每年都有趋势指向更小的表面贴装晶体封装。

石英晶体音叉（也称为圆柱晶振）是指‌石英晶片外形类似音叉的晶振‌。它是一种石英晶体谐振器，常用于提供时钟频率，确保电子设备能够正常工作。音叉晶振的常用频率为32.768KHZ，主要尺寸有‌DIP:38mm、26mm，常用于遥控器，石英手表，时钟，计算机、家电自动控制和工业自动控制等等。

 

音叉晶体背景

顾名思义，石英晶体是由石英制成的。传统上，石英是一种天然存在的硬质矿物，但今天的大部分石英都是在高压釜中合成生长的，这提供了比天然石英更高的标准纯度。使用石英是因为当施加机械压力和张力时会变成压电并产生电荷。这种压力会导致我们称为频率的机械振动。

石英需要以精确的角度切割，以启动特定的振动模式并确保压电效应起作用。最常见的晶体设计之一是 AT Cut 晶体。AT Cut 晶体的频率由晶体的厚度决定。例如：晶体越薄，频率越高。晶体的振动质量将直接决定晶体振荡器电路设计是否需要并联或串联谐振晶体。

 

音叉晶体频率和工作原理

晶体机械振动模式有四种常见的：弯曲、拉伸、面剪切和厚度剪切。石英晶体音叉将在弯曲模式下运行，其特征是柄脚在水平平面上独立但同相振动。弯曲模式晶体主要在低于 1 MHz 的低频范围内工作。虽然泛音模式是可能的，但音叉晶体主要用作基频。

最常见的石英晶体频率是 32.768 kHz。这个频率已经变得很普遍，因为当 32.768 kHz 除以 2/15 时，会有 1 Hz 的信号。该 1 Hz 信号将始终提供一秒的时间。这为日期、日期和时间的出现提供了一个可靠的计时系统。经典音叉的频率最终是简单的算术运算和石英生产的一般条件的结果。

音叉晶体抛物线温度曲线

由于其独特的形状，音叉晶体在很宽的温度范围内无法提供高精度。它们的温度精度可以绘制为随温度变化的抛物线曲线。在室温或大约 +25°C 下，该精度通常为 ±20ppm。 这相当于每天增加或减少 1.7 秒的时间或每年增加或减少 10.34 分钟。图 1 显示了在极高和极低温下的精度下降。在这些温度下的典型精度远低于 ±150ppm，这相当于每天损失近 13.0 秒或每年损失约 1.3 小时。32.768 kHz 音叉晶体的常见抛物线系数为 0.04 ppm/°C2。

 

图 1：确定音叉频率稳定性的抛物线曲线

如何确定典型 32.768 kHz 音叉晶体的温度与精度的关系

在特定频率 （f） 和温度 （T） 下，典型晶体的频率偏差 （Δf） 为：

Δf/f = k（T – To)2+ Fo

• f 是标称晶体频率
• k 是曲率常数
• T 是温度
• To是翻转温度
• fo是室温下的频率偏差

对这些方程的分析揭示了只有三个变量控制晶体随温度的变化频率响应。这些是曲率接触、翻转温度和室温频率偏差。曲率常数对频率偏差随温度变化的抛物线性质影响最大，但该常数的偏差非常小。不同的周转温度会使曲线向左或向右移动，而室温下的不同频率偏差会使曲线上下移动。