晶振是什么？

晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，它是时钟电路中最重要的部件，它的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。晶振还有个作用是在电路产生震荡电流，发出时钟信号。

它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振在数字电路的基本作用是提供一个时序控制的标准时刻。数字电路的工作是根据电路设计，在某个时刻专门完成特定的任务，如果没有一个时序控制的标准时刻，整个数字电路就会成为“聋子”，不知道什么时刻该做什么事情了。

晶振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振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

电路中，为了得到交流信号，可以用RC、LC谐振电路取得，但这些电路的振荡频率并不稳定。在要求得到高稳定频率的电路中，必须使用石英晶体振荡电路。石英晶体具有高品质因数，振荡电路采用了恒温、稳压等方式以后，振荡频率稳定度可以达到10^（-9）至10^（-11）。广泛应用在通讯、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，其两条不分正负。

晶振是电路中常用用的时钟元件，全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振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振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

下面我就具体的介绍一下晶振的作用以及原理，晶振一般采用如图1a的电容三端式（考毕兹） 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。

三、晶振的电路图

分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe，Cce，Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于C1很小（1E-15量级），Co不能忽略（1E-12量级，几PF）。所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。

这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压（Cbe上的电压）却越来越小，最后导致停振。通过晶振的原理图你应该大致了解了晶振的作用以及工作过程了吧。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。

四、晶振在应用中的作用

晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。

在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（EMI）、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。

五、晶振的基本参数

一般晶振的基本参数有：工作温度、精度值、匹配电容、封装形式、核心频率等。

晶振的核心频率：一般晶振频率的选择取决于频率元器件的要求规定，像MCU一般是一个范围，大部分都是从4M到几十M不等。

晶振的精度:晶振的精度普遍在±5PPM、±10PPM、±20PPM、±50PPM等，高精度的时钟芯片一般在±5PPM之内，一般运用都会选择在±20PPM左右。

晶振的匹配电容：通常通过调整匹配电容的值，可以更改晶振的核心频率，目前在做高精度晶振时，都是用该方法来进行调整。

晶体中的贵族——有源晶振

晶体是晶体谐振器（Crystal）的简称，也称为无源晶体 。一般是利用石英晶体的压电效应，用来产生高精度振荡频率的一种电子元件。普通压电无源石英晶体是一种无极性元件，晶体内部本身只有经过加工的单一石英晶片，英文单词叫做（Quartz crystal）需要借助设计的电路才能产生振荡信号，单晶振本身是无非发生振荡的，插件的一般常规都是二个脚，当然也会有三个脚的，中间那个脚一般用来接地，当然随着科技的发展，后来有了四个脚的普通贴片谐振器，四个脚其实只要二个脚才是真正通电工作的，剩余两个脚一个是悬空，一个是可以用来接地(可接可不接)。

晶振是晶体振荡器（Oscillator）的简称，也称为有源晶振 。有源晶振内部集成了起振电路，无需外部添加其他元器件即可正常工作，但其需要外部电源供电。 有源晶振是用石英晶体组成的，石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（由晶片的尺寸和形状决定）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。

有源石英晶体振荡器是最少拥有最少4个脚的的产品，四个脚的用途是：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压，电压也有分为以下几种，1.8V-2.5V-3V-3.3V-3.8V-5V等电压，振荡器内部本身除了有加工过的压电石英晶片外，还有有源振荡器IC，以及电阻两颗，电容两颗，有些会有一颗三级稳压管等原件，插件的外观体积比较大，但是随着现在的科技发展，有源晶振体积也从最初的超大体积长20mm，宽11mm，到现在的2.5mm长，宽2.0mm的小尺寸，有源晶振 的英文单词简称为（Quartz crystal oscillator）。

主要参数

⒈ 总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。

⒉ 频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频率。

⒊ 开机特性（频率稳定预热时间）：指开机后一段时间（如 5 分钟）的频率到开机后另一段时间（如1小时）的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。

⒋ 频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：± 1ppm/（第 一年）和±5ppm/（十年））来表示。

⒌ 短稳：短期稳定度。

⒍ 频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量

⒎ 率压控线性：与理想（直线）函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。

⒏ 单边带相位噪声￡（f）：偏离载波 f 处，一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。

有源晶振外形

有源晶振的内部结构

有源晶振的内部拆解

晶体振荡器的分类:按照其功能类型可分为四种： SPXO 简单封装晶体振荡器VCXO 电压控制晶体振荡器TCXO 温度控制晶体振荡器 温度补偿晶体振荡器OCXO 恒温晶体振荡器 温度控制晶体振荡器

常规批量生产可达到的稳定度：

SPXO VCXO TCXO OCXO

0 to 70℃ 10 ppm 10 ppm 0.1 ppm 0.005 ppm

20 to 70℃ 25 ppm 25 ppm 0.3 ppm 0.01 ppm

-40 to 85℃ 30 ppm 30 ppm 0.5 ppm 0.03 ppm

-55 to 125℃ 50 ppm 50 ppm 1.0 ppm N/A

工作温度范围内的稳定度要求 典型应用 振荡器类型

±0.2ppm 电信传输设备的时钟基准 OCXO

±0.2～±0.5ppm 电信传输设备的Stratum 3时钟基准 OCXO,带模拟集成电路的TCXO

±0.5～±1.0ppm 军用无线电设备,E-911蜂窝电话定位器 带模拟集成电路的TCXO

±1.0～±2.5ppm 移动无线电设备(例如应急通信设备) 带模拟集成电路的TCXO

±2.5～±10ppm 移动电话 带电热调节的TCXO

±10～±20ppm 传真机 TCXO,VCXO,SPXO

> ±20ppm 计算机时钟信号源 SPXO/XOD

从历史上来说，在美国，军事上的需求已成为研究石英振荡器的主要推动力。特别是在早期美国军方资助大部分的研究。按照民间说法，缩写XO 代替CO 的主要原因是，在美国军队里，CO 是“指挥官”的缩写而且由于“crystal”听起来有点像“xtal”。（随后，有人指出，XO 是在军队中是“执行官”的缩写，但这以后，XO 是“石英振荡器”的缩写就逐渐被人接受）。

引脚分布

丝印正好看 左下角有黑点是管脚1，

有个点标记的为1脚，按逆时针（管脚向下）分别为2、3、4。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。

以下是方形振荡器引脚分布：1、正方的，使用DIP-8封装，打点的是1脚。 1-NC; 4-GND; 5-Output; 8-VCC2、长方的，使用DIP-14封装，打点的是1脚。1-NC; 7-GND; 8-Output; 14-VCC

BTW：1、电源有两种，一种是TTL，只能用5V，一种是HC的，可以3.3V/5V2、边沿有一个是尖角，三个圆角，尖角的是一角，和打点一致。Vcc outNC(点) GND有源晶振为四角方形或矩形金属盒子，看着标称一面(顶)，左下空脚，右下地，左上VCC(5V)，右上输出。接上电源可以用示波器看到波形。

PCB设计要点：

(1)、在PCB设计是，晶振的外壳必须接地，可以防止晶振的向往辐射，也可以屏蔽外来的干扰。

(2)、晶振下面要铺地，可以防止干扰其他层。因为有些人在布多层板的时候，顶层和底层不铺地，但是建议晶振所在那一块铺上地。

(3)、晶振底下不要布线，周围5mm的范围内不要布线和其他元器件(有的说是建议300mil范围内，大家可以参考)，主要是防止晶振干扰其他布线和器件。

(4)、晶振不要布在板子的边缘，因为为了安全考虑，板卡的地和金属外壳或者机械结构常常是连在一起的，这个地我们暂且叫做参考接地板，如果晶振布在板卡的边缘，晶振与参考接地板会形成电场分布，而板卡的边缘常常是有很多线缆，当线缆穿过晶振和参考接地板的电场是，线缆被干扰了。而晶振布在离边缘远的地方，晶振与参考接地板的电场分布被PCB板的GND分割了，分布到参考接地板电场大大减小了

(5)、当然时钟线尽量要短。如果你不想让时钟线走一路干扰一路，那就补短吧。

还有一点，关于晶振的选择，如果你的系统能工作在25M，就尽量不要选50M的晶振。时钟频率高，是高速电路，时钟上升沿陡也是高速电路

以NDK的料号做一个介绍

NZ2016SH晶振：

特点：

频率：1.5MHz~80MHz

可对应：-40～+125℃的宽温范围。

尺寸：2.0×1.6mm、高度0.7mm、重量0.01g，超小型、量轻。

可对应同样尺寸的晶体谐振器难以实现的低频（从1.5MHz起）。

缠带包装方式可对应自动搭载及IR回流焊接（无铅对应）。为无铅产品。符合AEC-Q200标准。

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