谈谈晶振的必要性、作用、原理及其常见问题

什么是晶振

定义 ：晶振一般指石英晶体振荡器，也叫晶体振荡器。它是时钟电路中最重要的部件。

晶体振荡器是一种使用逆压电效应的电子振荡器电路，即当电场施加在某些材料上时，它会产生机械变形。因此，它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。

晶体振荡器具有高稳定性、品质因数、小尺寸和低成本 ，这使得它们优于其他谐振器，如LC电路、陶瓷谐振器、转叉等。

晶振的基本结构

晶体的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，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。

图1 石英晶体谐振器结构

晶振的主要参数

1.标称频率：指晶体规格书中所指定的频率。晶振常用标称频率在1～200MHz之间，若要获得更高的输出频率则常用PLL（锁相环）将低频进行倍频来获得。

2.频率精度、频率稳定度：用单位ppm来表示，即百万分之一（1/106），是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高。如24MHz晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为24MHz×20ppm=±480Hz。

3.温度频差：指在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的偏离，单位也是ppm。

4.负载电容CL：它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容（不是晶振外接的匹配电容），主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率，通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。负载电容是无源晶振非常重要的参数，因为无源晶体属于被动元器件，无源晶振自身并不能工作，需要外部元器件协助工作。

CS为晶体两个管脚间的寄生电容（Shunt Capacitance）

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、芯片管脚寄生电容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。

注意：负载电容不等于匹配电容。

晶振的工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，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。

压电效应：若在石英晶体的两个电极上加上一电场，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。

晶振的工作原理图（来源于网络）

晶振的应用

(1)通用晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。

(2)时钟脉冲用石英晶体谐振器，与其它元件配合产生标准脉冲信号，广泛用于数字电路中。

(3)微处理器用石英晶体谐振器。

(4)CTVVTR用石英晶体谐振器。(5)钟表用石英晶体振荡器。

单片机晶振的必要性

单片机是一种集成了处理器核心、内存和可编程输入输出端口的微型计算机芯片。为了执行程序指令和管理各种外设，单片机需要一个时钟信号来同步其内部操作。晶振为单片机提供了一个稳定的时钟源，确保了程序的准确执行和外设的同步工作。

对于单片机来说晶振是很重要的，可以说是没有晶振就没有时钟周期，没有时钟周期就无法执行程序代码，那样的话单片机就无法工作。

单片机晶振电路原理：

单片机晶振电路通常由石英晶体、负载电容和有时的放大电路组成。石英晶体是一种具有高品质因数（Q值）的谐振器，当通过适当的电信号激励时，它会在其固有频率上振动。这个振动频率非常稳定，受温度、湿度等环境因素的影响较小。负载电容与晶体串联或并联，用于调整振荡电路的频率和稳定性。在某些情况下，可能需要一个放大器来增强晶振的信号。

单片机晶振的作用：

1.提供时钟信号：晶振为单片机提供了必要的时钟信号，这是单片机执行程序和进行数据处理的基础。

2.确保稳定性：由于晶振的频率稳定性很高，它可以保证单片机系统在不同条件下的稳定运行。

3.同步操作：晶振使得单片机内部的各个部件能够同步工作，包括内存访问、数据传输和外设控制。

4.通信准确性：在涉及通信的应用中，晶振确保了数据传输的准确性和可靠性，因为它提供了精确的波特率。

单片机晶振常见问题：

1.频率偏移：由于温度变化、负载电容不匹配或晶体本身的缺陷，晶振的实际工作频率可能会偏离标称频率。

2.启动困难：在某些情况下，晶振可能无法启动振荡，导致单片机无法正常工作。

3.噪声问题：晶振可能会受到来自电源、数字电路或其他外部干扰的影响，产生噪声。

4.机械应力：如果安装不当，机械应力可能会影响晶振的性能。

5.老化：随着时间的推移，晶振的频率可能会因为晶体的老化而发生变化。