談談晶振的必要性、作用、原理及其常見問題

什么是晶振

定義 ：晶振一般指石英晶體振蕩器，也叫晶體振蕩器。它是時鐘電路中最重要的部件。

晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產生機械變形。因此，它利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產生具有非常精確頻率的電信號。

晶體振蕩器具有高穩定性、品質因數、小尺寸和低成本 ，這使得它們優于其他諧振器，如LC電路、陶瓷諧振器、轉叉等。

晶振的基本結構

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

晶振的主要參數

1.標稱頻率：指晶體規格書中所指定的頻率。晶振常用標稱頻率在1～200MHz之間，若要獲得更高的輸出頻率則常用PLL（鎖相環）將低頻進行倍頻來獲得。

2.頻率精度、頻率穩定度：用單位ppm來表示，即百萬分之一（1/106），是相對標稱頻率的變化量，此值越小表示精度越高。如24MHz晶振偏差為±20ppm，表示它的頻率偏差為24MHz×20ppm=±480Hz。

3.溫度頻差：指在特定溫度范圍內，工作頻率相對于基準溫度時工作頻率的偏離，單位也是ppm。

4.負載電容CL：它是電路中跨接晶體兩端的總的有效電容（不是晶振外接的匹配電容），主要影響負載諧振頻率和等效負載諧振電阻，與晶體一起決定振蕩器電路的工作頻率，通過調整負載電容，就可以將振蕩器的工作頻率微調到標稱值。負載電容是無源晶振非常重要的參數，因為無源晶體屬于被動元器件，無源晶振自身并不能工作，需要外部元器件協助工作。

CS為晶體兩個管腳間的寄生電容（Shunt Capacitance）

CD表示晶體振蕩電路輸出管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CO、外加匹配電容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2。

CG表示晶體振蕩電路輸入管腳到地的總電容，包括PCB走線電容CPCB、芯片管腳寄生電容CI、外加匹配電容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1。

一般CS為1pF左右，CI與CO一般為幾個皮法，具體可參考芯片或晶振的數據手冊。

注意：負載電容不等于匹配電容。

晶振的工作原理

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：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，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。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。

壓電效應：若在石英晶體的兩個電極上加上一電場，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。

晶振的工作原理圖（來源于網絡）

晶振的應用

(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。

單片機晶振的必要性

單片機是一種集成了處理器核心、內存和可編程輸入輸出端口的微型計算機芯片。為了執行程序指令和管理各種外設，單片機需要一個時鐘信號來同步其內部操作。晶振為單片機提供了一個穩定的時鐘源，確保了程序的準確執行和外設的同步工作。

對于單片機來說晶振是很重要的，可以說是沒有晶振就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期就無法執行程序代碼，那樣的話單片機就無法工作。

單片機晶振電路原理：

單片機晶振電路通常由石英晶體、負載電容和有時的放大電路組成。石英晶體是一種具有高品質因數（Q值）的諧振器，當通過適當的電信號激勵時，它會在其固有頻率上振動。這個振動頻率非常穩定，受溫度、濕度等環境因素的影響較小。負載電容與晶體串聯或并聯，用于調整振蕩電路的頻率和穩定性。在某些情況下，可能需要一個放大器來增強晶振的信號。

單片機晶振的作用：

1.提供時鐘信號：晶振為單片機提供了必要的時鐘信號，這是單片機執行程序和進行數據處理的基礎。

2.確保穩定性：由于晶振的頻率穩定性很高，它可以保證單片機系統在不同條件下的穩定運行。

3.同步操作：晶振使得單片機內部的各個部件能夠同步工作，包括內存訪問、數據傳輸和外設控制。

4.通信準確性：在涉及通信的應用中，晶振確保了數據傳輸的準確性和可靠性，因為它提供了精確的波特率。

單片機晶振常見問題：

1.頻率偏移：由于溫度變化、負載電容不匹配或晶體本身的缺陷，晶振的實際工作頻率可能會偏離標稱頻率。

2.啟動困難：在某些情況下，晶振可能無法啟動振蕩，導致單片機無法正常工作。

3.噪聲問題：晶振可能會受到來自電源、數字電路或其他外部干擾的影響，產生噪聲。

4.機械應力：如果安裝不當，機械應力可能會影響晶振的性能。

5.老化：隨著時間的推移，晶振的頻率可能會因為晶體的老化而發生變化。