展开全部
晶振的工作原理 一、晶振是什么？
晶振是石英振荡器的缩写，英文名称Crystal，它是时e68a8462616964757a686964616f3133332623961钟电路中最重要的部件是为显卡、网卡、主板等附件提供基准频率。它就像一个尺子。工作频率不稳定会导致相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。
晶体振动的另一个作用是在电路中产生振荡电流，发出时钟信号. 晶体振荡器是晶体振荡器的缩写。为了提供稳定、准确的单频振荡，它准确的单频振荡。在正常工作条件下，普通晶振频率的绝对精度可达50%。高精度。一些晶体振荡器也可以通过外加电压在一定范围内调节频率，称为压控振荡器(VCO)。 晶振在数字电路中的基本作用是提供时序控制的标准时刻。数字电路的工作是根据电路设计在某个时刻完成特定的任务。如果没有时间控制的标准时刻，整个数字电路就会变成聋子，不知道什么时候该做什么。 晶体振动的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常，一个系统共用一个晶体振动，以保持各部分的同步。一些通信系统的基频和射频使用不同的晶体振动，并通过电子调节频率保持同步。 晶体振动通常与锁相环电路一起使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同的子系统需要不同频率的时钟信号，则可以使用不同的锁相环与相同的晶振相连。 为了获得交流信号，可以使用电路RC、LC谐振电路取得，但这些电路的振荡频率并不稳定。石英晶体振荡电路必须用于需要高稳定频率的电路。石英晶体具有高质量因素。振荡电路恒温稳压后，振荡频率稳定性可达10^(-9)至10^(-11)。广泛应用于通信、时钟、手表、计算机……需要高稳定信号的场合。 石英晶振不分正负极， 外壳是地线，两者不分正负 二、使用晶振 晶体振动，在电气上，它可以等效成一个电容器和一个电阻并联，然后串联一个电容器的二端网络。在电工学中，该网络有两个谐振点，其中频率较低 频率为串联谐振，较高频率为并联谐振。由于晶体本身的特性，这两个频率之间的距离相当接近。在这个极窄的频率范围内，晶体振动等效为电感，所以只要晶体 振动的两端并联合适的电容，形成并联谐振电路。并联谐振电路可以在负反馈电路中构成正弦波振荡电路，因为晶振等效电感的频率范围很窄， 因此，即使其他元件的参数变化很大，振荡器的频率也不会变化很大。 晶体振动有一个重要的参数，即负载电容值，如果选择等于负载电容值的并联电容，可以获得晶体振动标称的谐振频率。 一般晶体振荡电路在反相放大器的两端连接晶体振荡器（注意放大器不是反相器），然后两个电容器连接到晶体振荡器的两端，每个电容器的另一端连接到地面，两个电容器串联的容量值应等于负载电容器，请注意一般IC引脚有等效输入电容，不容忽视。 一般晶振负载电容为15p或12.5p ，如果考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p构成晶振的电容振荡电路是更好的选择。 晶体振动是为电路提供频率基准的组件，通常分为有源晶体振动和无源晶体振动两类，无源晶体振动需要芯片内部振荡器，晶体振动信号电压根据振动电路，允许不同的电压，但无源晶体振动通常信号质量和精度差，需要准确匹配外部电路（电感、电容、电阻等），如需要更换晶体振动，同时更换外部电路。不需要芯片内部振荡器的有源晶供高精度的频率基准，信号质量优于无源晶振。 在设计电路时，应掌握每个芯片手册中提供外体振动输入的标准电路，这将显示芯片的最高使用频率和其他参数。与计算机用CPU不同的是，单片机现在可以接收的晶动频率相对较低，但对于一般控制电路来说就足够了。 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。不同于有源晶振(谐振)的英文名称，无源晶振是crystal(晶体)，而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需要时钟电路来产生振荡信号，不能振荡，所以无源晶振的说法不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。 谐振器包括石英(或其晶体材料)晶体谐振器、陶瓷谐振器、LC谐振器等。 晶体振荡器与谐振荡器有其共同的交集有源晶体谐振荡器。 因此，石英晶片可以作为振荡电路（谐振）是基于其压电效应。从物理学上看，如果在晶片的两个极板之间增加一个电场，晶体将产生机械变形；相反，如果在极板之间施加机械力，则在相应的方向上产生电场，称为压电效应。如果在极板之间增加交变电压，则会产生机械变形振动，机械变形振动会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅相对较小，振动频率非常稳定。然而，当外交变电压的频率等于晶片的固有频率（取决于晶片的大小）时，机械振动的范围将急剧增加。这种现象称为压电谐振，因此石英晶体也称为石英晶体谐振器。 其特点是频率稳定性高。 石英晶体振荡器和石英晶体谐振器是提供稳定电路频率的电子设备。石英晶体振荡器利用石英晶体的压电效应振动，石英晶体谐振器利用石英晶体和内置IC共同工作。振荡器直接应用于电路，谐振器通常需要提供3.3V维持工作的电压。振荡器比谐振器更重要的技术参数是：谐振电阻(RR)，谐振器无电阻要求。RR直接影响电路性能的尺寸，也是各企业竞争的重要参数。 三、概述 微控制器的时钟源可分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶体振动和陶瓷谐振槽；基于相移电路的时钟源，如：RC 振荡器(电阻、电容)。硅振荡器通常完全集成RC振荡器，为了提高稳定性，包含有时钟源、匹配电阻和电容、温度补偿等。 机械谐振器和RC振荡器的主要区别 基于晶体振动和陶瓷谐振槽（机械）的振荡器通常提供非常高的初始精度和较低的温度系数。相对而言，RC振荡器可以快速启动，成本相对较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，在标称输出频率的5%至50%范围内变化。图1所示的电路可以产生可靠的时钟信号，但其性能受环境条件、电路元件选择和振荡器电路布局的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。陶瓷谐振槽和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。高Q值晶振对放大器的选择并不敏感，但在过度驱动时容易产生频率漂移(甚至损坏)。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰(EMI)、振动和冲击、湿度和温度。这些因素会增加输出频率的变化，增加不稳定性，在某些情况下，振荡器会停止振动。 振荡器模块 使用振荡器模块可以避免上述大部分问题。这些模块有自己的振荡器，提供低阻方波输出，并能在一定条件下运行。晶振模块和集成硅振荡器是最常用的两种类型。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度比分RC振荡器高，在大多数情况下可以提供与陶瓷谐振槽相当的精度。 功耗 在选择振荡器时，还需要考虑功耗。分离振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流和电路内的电容值决定。CMOS放大器的功耗与工作频率成正比，可以表示功率耗散电容值。比如，HC04反相器门电路的功耗电容值为90pF。在4MHz、5V在电源下工作时，相当于1.8mA电源电流。再加上20pF晶体振动负载电容整个电源电流为2.2mA。 陶瓷谐振槽一般负载电容大，相应需要更多的电流。 相比之下，晶振模块通常需要10个电源电流mA至60mA。 硅振荡器的电源电流取决于其类型和功能，从低频(固定)设备的微安到可编程设备的微安。低功率硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。 时钟电路晶振和时钟IC芯片 提供主板时钟芯片电路CPU，主板芯片组和各级总线(CPU总线，AGP总线，PCI总线，PCIE总线等。)以及主板各接口的基本工作频率。有了它，计算机就可以在那里了CPU控制下，按步就班，协调完成各项功能工作： 1.晶振的工作原理： 主板时钟芯片是分频器的原始工作振荡频率，由石英晶体多谐振荡器的谐振频率产生。晶体振荡器实际上是一个频率生成器，它主要将传输的电压转换为频率信号。为分频率提供14个基准.318MHZ的振荡频率，它是一个多谐振荡器的正回馈环电路，也就是说它把输入作为输出，把输出作为输入的回馈频率，象这样一个永无休止的循环自激过程。
⒉常见的时钟晶振在主板上：14.318M(主时钟)和32.768HZ(南桥 时钟旁边)
⒊时钟IC芯片简介：它主要起着放大和缩小频率的作用。只有在与晶体振动结合后，它才能在主板上工作。我们称他为时钟发生器（晶体振动 时钟IC芯片)
⒋时钟发生器的工作原理：我们可以将时钟定义为每个部件的总线频率速度，分配给每个部件的频率使它们能够正常工作。晶振通电时发出的频率送入时钟IC芯片，它的脚会通过一个时钟传递相应的频率IC芯片旁边的电阻(时钟IC芯片左右两侧一排小电阻基本为220=22欧，330=33欧).而内存，与AGP北桥内部提供了这些高速时钟(注一些主板)AGP北桥不提供时钟）将频率信号分配到主板的各个部件，如(PCI 33M，CPU 100M133M200M I/O 48M和14M，南桥33M &14M北桥100M7&133M&200M
时钟IC芯片
上面提到了时钟的产生，那是怎么工作的？接下来，我将向您解释时钟IC芯片.时钟IC芯片工作条件：
①.供电→他的电源基本上是通过较大的贴片电感进入时钟IC芯片(贴片电感时钟IC可以在芯片附近找到 因为他比其他帖子胖一点)。时钟IC芯片早期供电有2组到3组:2组供电有2组.5V与3.3V 3组供电为2.5V与2.8V时钟IC芯片后期供电有1组到2组:1组 3.3V 2组为3.3V与2.5V
②PG信号是在启动时输出电压稳定后给计算机一个启动信号，使计算机正式启动，并在意外断电时及时发送关机信号，使计算机立即停止工作，对计算机的稳定性和外设起到了很大的保护作用。PG信号基本上通过时钟IC芯片旁边的大电阻(10K、4.7K电阻)进入时钟IC芯片内部的(PG要高于1.5V)当供电与PG后时钟正常IC芯片内部可以正常工作，与晶体一起振荡，晶体两脚可以看到波形。晶体两脚之间的阻值在450-700欧元之间。两脚各有1V分频器提供左右电压。他才能把14.318晶振输送的时钟频率放大或缩小，然后输送到主板各部件.
时钟电路架
在你知道它的主要部分后，让我们来看看它的整个框架图
PLL是Phase-Locked Loop中文的缩写意思是锁相环。PLL它基本上是一个闭环反馈控制系统，它可以使PLL输出可以与参考信号保持固定的相位关系。PLL一般由鉴相器和电荷放大器组成(Charge Pump)、由低通滤波器、压控振荡器和某种形式的输出转换器组成。为了使得PLL在PLL分频器也可以放置在反馈路径或(和)参考信号路径上。PLL如下图所示：
压力控制振荡器产生周期性输出信号。如果输出频率低于参考信号的频率，摄像头通过电荷放大器改变控制电压，提高压力控制振荡器的输出频率。如果压力控制振荡器的输出频率高于参考信号的频率，摄像头通过电荷放大器改变控制电压，降低压力控制振荡器的输出频率。低通过滤波器的作用是滑电荷放大器的输出，这样在鉴相器进行微小调整的时候，系统趋向一个稳态。 负载电容及反馈电阻 可能有些初学者会对晶振的频率感到奇怪，12M、24M之类的晶振较好理解，选用如11.0592MHZ的晶振给人一种奇怪的感觉，这个问题解释起来比较麻烦，如果初学者在练习串口编程的时候就会对此有所理解，这种晶振主要是可以方便和精确的设计串口或其它异步通讯时的波特率。 问： 我发现在使用晶振时会和它并一个电阻,一般1M以上,我把它去掉,板子仍可正常工作,请问这个电阻有什么用?可以不用吗? 我有看到过不用的!不理解~ 答： 这个电阻是反馈电阻，是为了保证反相器输入端的工作点电压在VDD/2，这样在振荡信号反馈在输入端时，能保证反相器工作在适当的工作区。虽然你去掉该电 阻时，振荡电路仍工作了。但是如果从示波器看振荡波形就会不一致了，而且可能会造成振荡电路因工作点不合适而停振。所以千万不要省略此电阻。 这个电阻是为了使本来为逻辑反相器的器件工作在线性区, 以获得增益, 在饱和区是没有增益的, 而没有增益是无法振荡的. 如果用芯片中的反相器来作振荡, 必须外接这个电阻, 对于CMOS而言可以是1M以上, 对于TTL则比较复杂, 视不同类型(S,LS...)而定. 如果是芯片指定的晶振引脚, 如在某些微处理器中, 常常可以不加, 因为芯片内部已经制作了, 要仔细阅读DATA SHEET的有关说明. 和晶振并联的电阻作为负载，一般1M欧。也有和晶振串联的电阻为谐振电阻。. 问：晶振的参数里有配用的谐振电容值。比如说32.768K的是12.5pF；4.096M的是20pF. 这个值和实际电路中晶振上接的两个电容值是什么关系？像DS1302用的就是32.768K的晶振，它内部的电容是6pF的 答： 你所说的是晶振的负载电容值。指的是晶振交流电路中，参与振荡的，与晶振串联或并联的电容值。晶振电路的频率主要由晶振决定，但既然负载电容参与振荡，必 然会对频率起微调作用的。负载电容越小，振荡电路频率就会越高4.096MHz的负载电容为20pF，说明晶振本身的谐振频率<4.096MHz， 但如果让20pF的电容参与振荡，频率就会升高为4.096MHz。或许有人会问为什么这么麻烦，不如将晶振直接做成4.096MHz而不用负载电容？不 是没有这样的晶振，但实际电路设计中有多种振荡形式，为了振荡反馈信号的相移等原因，也有为了频率偏差便于调整等原因，大都电路中均有电容参与振荡。为了 准确掌握晶振电路中该用多大的电容，只要把握晶体负载电容应等于振荡回路中的电容+杂散电容就可以了。你所说的IC中6pF的电容就可看作杂散电容 石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体的压电效应：若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。注意，这种效应是可逆的。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。
一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。
晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文名称不同，无源晶振为crystal(晶体)，而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻(RR)，谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。
四、无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法： 1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。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。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。
2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可)，不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。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，个人认为还是有源的晶振好，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。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI 的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。
几点注意事项：
1、需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤波；
2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz以上的大多是谐波的(如3次谐波、5次谐波等等)，稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件；
3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围；
4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参考相关的资料。
此外还要做一些说明：
总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体，尤其是精密测量等领域，绝大多数用的都是高档的晶振，这样就可以把各种补偿技术集成在一起，减少了设计的复杂性。试想，如果采用晶体，然后自己设计波形整形、抗干扰、温度补偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采用高精度温补晶振的，工业级的要好几百元一个。
特殊领域的应用如果找不到合适的晶振，也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振水平，就必须自己设计了，这种情况下就要选用晶体了，不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体，而是特殊的高端晶体，如红宝石晶体等等。
更高要求的领域情况更特殊，我们这里在高精度测试时采用的时钟甚至是原子钟、铷钟等设备提供的，通过专用的射频接插件连接，是个大型设备，相当笨重。
晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理
解了。后者就是通常所指钟振。
2、 分类。首先说一下谐振器。
谐振器一般分为插件(Dip)和贴片(SMD)。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型(圆柱)。HC-49U一般称49U，有些采购俗称 “高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。音叉型按照体积分可分为3*8，2*6，1*5，1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5(0705)、6*3.5(0603)，5*3.2(5032)等等。脚位有4pin和2pin之分。
而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为OSC(普通钟振)， TCXO(温度补偿)，VCXO(压控)，OCXO(恒温)等等。
本回答被网友采纳
已赞过
已踩过<
你对这个回答的评价是？
评论
收起