晶振工作原理及参数详解：从基本概念到实际应用
晶振工作原理及参数详解：从基本概念到实际应用
晶振（石英晶体谐振器）是电子设备中不可或缺的时钟信号源，其稳定性和精度对整个系统的运行至关重要。本文将深入探讨晶振的工作原理、关键参数以及在实际电路中的应用，帮助读者全面理解这一重要元器件。
石英晶体谐振器（quartz crystal oscillator），简称晶振，是一种能够产生稳定时钟频率信号的电子元件。它在各种包含CPU的电子产品中扮演着核心角色，是电路系统的心脏。晶振通过石英晶体的压电效应实现频率的精确控制，其输出信号的频率范围通常在1～200MHz之间，常见的频率包括32768Hz、8MHz、12MHz、24MHz、125MHz等。
晶振的基本工作原理
晶振的工作原理基于石英晶体的压电效应。当在石英晶片的特定轴向施加压力时，会产生电位；反之，在晶体的某些轴向施加电场时，会使晶体产生机械变形。如果在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，这种机械形变振动又会产生交变电场。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。
将石英晶片按一定的形状进行切割后，再用两个电极板夹住就形成了无源晶振。其符号图如下所示：
晶振的关键参数
晶振的关键参数包括标称频率、频率误差、温度频差等。其中，标称频率是晶体元件规格书中所指定的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数。频率误差用单位ppm（百万分之一）表示，是相对标称频率的变化量，此值越小表示精度越高。
例如，12MHz晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz，即频率范围是（11999760～12000240Hz）。温度频差表示在特定温度范围内，工作频率相对于基准温度时工作频率的允许偏离，单位也是ppm。
晶振的等效电路模型
石英晶体的等效电路模型由动态等效串联电容C1、动态等效串联电感L1、动态等效串联电阻R1以及静态电容C0组成。这个等效电路具有如下频响特性曲线：
当R1、L1、C1串联支路发生谐振的频率即串联谐振频率（Fr），此时容抗与感抗相互抵消，因此，支路相当于只有等效串联电阻R1。这个频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。
等效串联电阻R1决定晶体元件的品质因数，品质因数又称机械Q值，它是反映谐振器性能好坏的重要参数，它与L1和C1有如下关系：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，晶体的特点在于它具有很高的品质因素。
等效电路还有一个反谐振频率fL（并联谐振频率），此时串联支路呈现为感抗，相当于一个电感：
晶振的振荡电路实现
晶体本身是不能产生振荡信号的，必须借助于相应的外部振荡器电路才能实现。常见的振荡器电路包括串联型和并联型两种。
串联型振荡器电路
串联型振荡器电路中，晶体管Q1、Q2构成的两级放大器，石英晶体X1与电容CL构成LC电路。在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，CL为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态，输出波形为方波。
并联型振荡器电路
并联型振荡器电路中，晶振的两个引脚与芯片（如单片机）内部的反相器相连接，再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2，组成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。
这里涉及到晶振的一个非常重要的参数，即负载电容CL（Load capacitance），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。
负载电容的公式如下所示：
其中，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。
有源晶振的优势
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
晶振工作原理及参数详解（最透彻） - 阳光&技术 - 博客园
晶振在洗衣机液位传感器中的应用
晶振的工作原理不仅限于时钟信号的产生，其振荡电路的原理在其他领域也有广泛应用。例如，洗衣机液位传感器的振荡电路与晶振的外部电路原理相同，都是基于反相器的振荡电路。当水位上升时，与水位传感器连接的黑色软管的压力上升，从而改变水位传感器的L值，从而改变谐振频率。通过检测谐振频率，从而判断水位是否达到设定的目标值。
石英晶体等效电感，电振荡原因
所以洗衣机液位传感器的电感原理和石英晶体的外部电路相同，都是反相器