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晶振电路的原理和作用介绍
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2022-06-02
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晶振电路的原理和作用
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晶振介绍
晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片 (简称为
晶片),石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部
添加 IC 组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。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。
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。
工作原理
1
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、
计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、
为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号 。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,它的基本构成大致是: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 。
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。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。
当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容 C,它
的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个 PF 到几十 PF。
当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感 L 来等效。一般 L 的值为几十
mH 到几百 mH。晶片的弹性可用电容 C 来等效,C 的值很小,一般只
2
有 0.0002~0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用 R 来等效,它
的数值约为 100Ω。由于晶片的等效电感很大,而 C 很小,R 也小,因
此回路的品质因数 Q 很大,可达 1000~10000。加上晶片本身的谐
振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做
得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度
[1] 。计算机都有个计时电路,尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些
设 备 , 但 它 们 实 际 上 并 不 是 通 常 意 义 的 时 钟 , 把 它 们 称 为 计 时 器
(timer)可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石
英晶体,石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡,这种频率取决于
晶体本身如何切割及其受到张力的大小。
有两个寄存器与每个石英晶体相关联,一个计数器(counter)和一
个保持寄存器 (holdingregister)。石英晶体的每次振荡使计数器减
1。当计数器减为 0 时,产生一个中断,计数器从保持寄存器中重新装
入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程,令其每秒产生 60 次
中断(或者以任何其它希望的频率产生中断)成为可能。每次中断称为一
个时钟嘀嗒(clocktick)。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。
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