晶振工作原理及参数详解(最透彻)
石英晶体谐振器（quartz crystal oscillator）缩写，又称有源晶振，能产生中央处理器（CPU）执行指令所需的时钟频率信号，CPU在此基础上执行所有指令。时钟信号频率越高，通常CPU运行速度越快。
只要是包含CPU电子产品至少包含一个时钟源。即使外面没有实际的振荡电路，它们也集成在芯片内。它们被称为电路系统的心脏。
在外部施加适当的电压后，可以输出预设的周期性时钟信号，
本周期性输出信号，它是晶体元件规格中规定的频率，也是工程师在电路设计和元件采购中首先关注的参数。晶体振动的常用标称频率为1~200MHz之间，比如32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等等，常用于更高的输出频率PLL(锁相环)低频倍频至1GHz以上。
输出信号的频率不可避免地会有一定的偏差使用它或，用单位ppm也就是说，百万分之一（parts per million）(1/106)是相对标称频率的变化，值越小，精度越高。
比如，12MHz晶振偏差为±20ppm，表示其频率偏差为12×20Hz=±240Hz，即频率范围(1199760~1200024Hz）
另外，还有一个表示在特定温度范围内，工作频率与基准温度的允许偏差相比，其单位也是ppm。
我们经常看到其他参数，如负载电容器、谐振电阻、静电容器和其他参数晶体的物理特性有关。让我们先了解一下晶体，如下图所示
石英晶体具有一定的电位，如果在晶片的轴向上施加压力
相反，当晶体的某些轴向施加电场时，晶体会产生机械变形；
如果将交变电压添加到石英晶片中，晶体会产生机械振动，机械变形振动会产生交变电场。虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率非常稳定。当外交变电压的频率等于晶片的固有频率(与切割晶片的尺寸有关，晶体越薄，切割难度越大，谐振频率越高)时，机械振动的范围会急剧增加，称为压电谐振。
按一定形状切割石英晶片后，用两个电极板夹住，形成无源晶振，符号图如下：
下图是一个与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。
其中：C1.动态等效串联电容；
L1.动态等效串联电感；
R1是动态等效串联电阻，是晶体内的摩擦当量
C0为静态电容，相当于两个电极板之间的电容；
该等效电路具有如下图所示的频响特性曲线：
当R1、L1、C串联支路谐振频率为串联谐振频率（Fr），因此，支路相当于只有等效串联电阻R1。
该频率是晶体的自然谐振频率。在高稳定晶体振动的设计中，它是在标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求下稳定晶体振动的设计参数（但不是标称频率）。表达式如下：
等效串联电阻R1决定晶体元件的质量因数，又称机械Q值，是反映谐振器性能的重要参数L1和C1有以下关系：
R1越大，Q值越低，会导致频率不稳定，反之，Q值越高，频率越稳定，晶体的特点是质量因素高。
等效电路还有一个反谐振频率fL(并联谐振频率)，此时串联支路呈抗，相当于电感，如下图所示:
如下图所示：
通常，制造商的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL，当实际晶体元件应用于振荡电路时，它通常与负载电容器连接，使晶体工作在一起Fr和FL振荡电路的相位和有效电抗可以通过改变电路的电抗条件来调节晶体频率。
负载电容与晶体串联时，如下图所示：
串联小电容器CL石英晶体的谐振频率可以在小范围内调整。此时，新的负载谐振频率如下：
其中，C1远远小于C0 CL
负载电容与晶体并联时，如下图所示：
同样，并联负载CL谐振频率也可以小范围调整，相应的负载谐振频率如下：
从实际效果来看，对于给定的负载电容值，F’r与F’L这两个频率是相同的，这是绝大多数晶体应用的实际频率，也是制造商满足产品标称频率要求的测试指标参数，即本文开头介绍的晶体振动标称频率，
当晶体元件与外部电容器连接（并联或串联）时，负载谐振频率的电阻为负载谐振电阻RL，它总是大于晶体元件本身的谐振电阻。
晶体本身不能产生振荡信号，只能通过相应的外部振荡器电路实现。下图是一个，晶体管Q1、Q由石英晶体组成的两级放大器X1与电容CL构成LC电路。石英晶体相当于电感，CL对于可变电容器，调整其容量，使电路进入谐振状态，输出波形为方波。
如下图所示，读者可能会看到更多这种形式。一般来说，单片机都有这样的电路。晶体振动的两个引脚与芯片（如单片机）内的反相器连接，然后与外部匹配电容器CL1、CL2、R1、R2.形成皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）
上图中，U一是反相放大器，增益很大，CL1、CL2为匹配电容，是电容三点电路的分压电容，接地点为分压点。以接地点为参考点，即分压点，输入输出相反，但从并联谐振电路，即石英晶体两端，形成正反馈，确保电路持续振荡，对振荡频率影响较小，主要用于微调频率和波形，影响范围。X1是晶体，相当于三点式电感
R一是反馈电阻(一般)≥1MΩ），它使反相器在振荡初期处于线性工作区，R2与匹配的电容器形成网络，提供180度相移，同时限制振荡范围，防止反向器输出对晶体振动损坏。
一个非常重要的参数涉及晶体振动，即，它是电路中跨晶体两端的总有效电容器（非晶体振动外部匹配电容器），主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。振荡器电路的工作频率可通过调整负载电容器微调到标称值。
负载电容的公式如下：
其中，CS晶体两个管脚之间
CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2，即CD=CPCB+CO+CL2
CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容，包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1，即CG=CPCB+CI+CL1
一般CS为1pF左右，CI与CO一般为几个皮法，具体可参考芯片或晶振的数据手册
（这里假设CS=0.8pF，CI=CO=5pF，CPCB=4pF）。
比如规格书上的负载电容值为18pF，则有
则CD=CG=34.4pF，计算出来的匹配电容值CL1=CL2=25pF
这么复杂，我看不懂，我想用更简单更稳定更精确的器件，有木有？有！
有源晶振将所有与无源晶振及相关的振荡电路封装在一个“盒子”里，不必手动精确匹配外围电路，不同的输出频率应用时，只需要采购一个相应频率的“盒子”即可，不再使用繁杂的公式计算来计算去，可以节省很多脑细胞做其它更多意义的工作。
封装后的“盒子”示意图如下所示：
晶振