下圖給出了兩種時(shí)鐘源。兩種分立的振蕩器電路，其中圖a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖b為簡(jiǎn)單的RC反饋振蕩器。 

 

 

舉例，一個(gè)振蕩電路在其輸出端串接了一個(gè)22K的電阻，在其輸出端和輸入端之間接了一個(gè)10M的電阻。

 

并聯(lián)電阻

 

電路并聯(lián)電阻是由于連接晶振的芯片端內(nèi)部是一個(gè)線性運(yùn)算放大器，將輸入進(jìn)行反向180度輸出，晶振處的負(fù)載電容電阻組成的網(wǎng)絡(luò)提供另外180度的相移，整個(gè)環(huán)路的相移360度，滿足振蕩的相位條件，同時(shí)還要求閉環(huán)增益大于等于1，晶體才正常工作。Xin和Xout的內(nèi)部一般是一個(gè)施密特反相器，反相器是不能驅(qū)動(dòng)晶體震蕩的。因此，在反相器的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，由電阻完成將輸出的信號(hào)反向。電阻的作用是將電路內(nèi)部的反向器加一個(gè)反饋回路，形成放大器，當(dāng)晶體并在其中會(huì)使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振，由于晶體的Q值非常高，因此電阻在很大的范圍變化都不會(huì)影響輸出頻率，但會(huì)影響脈寬比的。

 

晶振輸入輸出連接的電阻作用是產(chǎn)生負(fù)反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū)，一般在M歐級(jí)，KHz晶振電路，并聯(lián)電阻通常為10M歐，MHz晶振，并聯(lián)電容通常為1M歐左右。

 

串聯(lián)電阻

 

電路串聯(lián)電阻常用來(lái)預(yù)防晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。晶振過(guò)分驅(qū)動(dòng)的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，并導(dǎo)致晶振的早期失效，又可以講drive level調(diào)整用。用來(lái)調(diào)整drive level和發(fā)振余裕度。

 

電阻Rs常用來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。過(guò)分驅(qū)動(dòng)晶振會(huì)漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升。可用一臺(tái)示波器檢測(cè)OSC輸出腳，如果檢測(cè)一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時(shí)鐘輸入需要，則晶振未被過(guò)分驅(qū)動(dòng)；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。這時(shí)就需要用電阻Rs來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。判斷電阻Rs值大小的最簡(jiǎn)單的方法就是串聯(lián)一個(gè)5k或10k的微調(diào)電阻，從0開(kāi)始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不再被削平為止。通過(guò)此辦法就可以找到最接近的電阻Rs值。

 

輸出端串聯(lián)電阻與負(fù)載電容組成網(wǎng)絡(luò)，提供180度相移，同時(shí)起到限流的作用，防止反向器輸出對(duì)晶振過(guò)驅(qū)動(dòng)，損壞晶振。其值的大小通常為幾百K 歐姆較多，具體大小需要通過(guò)調(diào)試，根據(jù)過(guò)驅(qū)程度去選定串接多大電阻。

 

 

晶振本身的作用

 

振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振回路相比，它具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到10-4~10-11穩(wěn)定度。

 

基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對(duì)某頻率具有的響應(yīng)作用，用來(lái)濾波、選頻網(wǎng)絡(luò)等，石英諧振器相當(dāng)于RLC振蕩電路。

 

石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為二氧化硅（SiO2）的六角錐形結(jié)晶體，比較堅(jiān)硬。它有三個(gè)相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經(jīng)過(guò)六棱柱棱線并垂直于Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時(shí)垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機(jī)械軸

 

 

石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正（機(jī)械能→電能）、反（電能→機(jī)械能）壓電效應(yīng)。沿石英晶片的電軸或機(jī)械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個(gè)表面產(chǎn)生正、負(fù)電荷，呈現(xiàn)出電壓，其大小與所加力產(chǎn)生的形變成正比；若施加張力，則產(chǎn)生反向電壓，這種現(xiàn)象稱為正電效應(yīng)。當(dāng)沿石英晶片的電軸方向加電場(chǎng)，則晶片在電軸和機(jī)械軸方向?qū)⒀由旎驂嚎s，發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時(shí)，晶片會(huì)隨電壓的變化產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)又會(huì)在晶片內(nèi)表面產(chǎn)生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對(duì)于某一振動(dòng)方式，有一個(gè)固有的機(jī)械諧振頻率。當(dāng)外加交流電壓等于晶片的固有機(jī)械諧振頻率時(shí)，晶片的機(jī)械振動(dòng)幅度最大，流過(guò)晶片的電流最大，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。晶片的振動(dòng)頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越?。ǔ叽缭酱?，頻率越低），這樣的晶片其機(jī)械強(qiáng)度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時(shí)常采用泛音晶體。一般地，在工作頻率小于20MHZ時(shí)采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ時(shí)采用泛音晶體。

 

原理：壓電效應(yīng)

 

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

        

 

晶振的作用一句話簡(jiǎn)單說(shuō)就是：選擇頻率，讓跟自己固有頻率相等的和接近的振蕩蕩起來(lái)。

 

對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，原因時(shí)上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過(guò)激勵(lì)(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(lì)(不容易起振)。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵(lì)功率，溫度特性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

 

本文轉(zhuǎn)載自硬件十萬(wàn)個(gè)為什么。

 

參考文檔

 

《晶振串聯(lián)電阻與并聯(lián)電阻有什么作用？》——晶科鑫官網(wǎng)

《晶振的原理》——百度文庫(kù)

《示波器的使用方法圖解》——工控資料窩

 

 

推薦閱讀：