晶振参数全攻略：电子专业小伙伴的知识武器，一文带你看懂！

晶振参数全攻略：电子专业小伙伴的知识武器，一文带你看懂！

晶振，全称为晶体振荡器，是电子设备中不可或缺的核心组件之一。它通过石英晶体的压电效应产生稳定的振荡频率，广泛应用于各种电子设备中，如计算机、通信设备、医疗设备等。本文将从晶振的定义、工作原理、分类、等效电路以及关键指标的测量方法等方面，为您全面解析这一重要电子元件。

晶振的定义与工作原理

晶振是晶体振荡器的简称，是以晶体为起振器的振荡器，所以晶振是晶体+振荡电路的集合。

晶振的工作原理基于石英晶体的压电效应：当水晶受到外部压力时会产生轻微的形变，这种形变虽然肉眼不可见，但能使晶体内部电极化，产生与压力成精确比例的电场。这种效应是双向的，即施加电能后，拥有石英晶体的晶振就产生了振荡频率。

晶振的分类

晶振可以根据不同的标准进行分类：

• 按自主振荡：无源晶振、有源晶振

• 有源晶振：内部有时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。

• 无源晶振：需要借助时钟电路才能产生振荡信号。

• 按频率：MHZ输出、KHZ输出

• 按输出：单端输出、差分输出

• 按材质：石英、硅、陶瓷

• 按功能：

• 普通振荡器（SPXO）：这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

• 温补振荡器（TCXO）：TCXO温补晶振是通过其附加的温度补偿电路使周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。它的温度补偿的原理呢就是通过改变振荡回路中的负载电容，使其随温度变化来补偿谐振器由于环境温度变化所产生的频率漂移。

• 压控振荡器（VCXO）：这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。

• 恒温振荡器（OCXV）：这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。

• 压控温补振荡器（VCTCXO）：压控温补石英晶体振荡器是一种同时带有温度补偿和电压控制功能的晶体振荡器。在使用温度范围宽、频率稳定度高要求的情况下，需对频率温度特性进行温度补偿，提高其频率温度稳定性。

晶振的等效电路

晶振的等效电路是用来描述晶振内部电磁场分布和能量转换关系的电路模型。根据石英晶体的物理特性，可以将晶振等效为一个LC谐振电路。在这个电路中，L表示石英晶体的电感，C表示石英晶体与封装材料之间的电容。可查看下面的图

其中，R是ESR等效串联电阻，L和C分别是等效电感和电容，Cp为寄生电容。

晶振的主要指标（参数）

晶振的主要指标包括：

• 频率：晶振的频率是其最重要的参数之一。根据不同的应用需求，选择合适的频率。例如，在通信系统中，常用的频率有 12MHz、13.56MHz、26MHz 等；在计算机主板上，常用的频率有 14.318MHz、25MHz 、32.768KHz等。
• 精度：晶振的精度直接影响到系统的时间准确性。根据应用的要求，选择合适精度的晶振。常见的精度等级有±10ppm、±20ppm、±30ppm 等。
• 温度：晶振的工作温度范围也是一个重要的考虑因素。不同的应用环境对晶振的工作温度有不同的要求。例如，工业控制设备可能需要在宽温度范围内工作，而消费电子产品通常在常温下使用。
• 负载电容：在电路中跨接晶振两端总的外界有效电容；要等于或接近晶振数据手册给出的数值才能使晶振按照预期工作；比较通常使用的24MHz晶振负载电容是20pF；晶振的负载电容会影响其频率。负载电容的大小会影响晶体的谐振频率和带宽，通常情况下，负载电容越大，晶振的频率稳定性越差。
• 温度频偏：温度频偏(Temperature Tolerance)：高温时所带来的频率偏差。通常有温度要求的，要选用10ppm。
• 电压：晶振的工作电压通常在 1.8V 到 5V 之间。根据系统的电源供应，选择与之匹配的晶振。
• 相噪：是衡量晶振性能的重要指标之一。相位噪声描述了振荡器输出信号的频率稳定性，它是由振荡器内部的噪声引起的，这些噪声包括热噪声、散弹噪声和闪变噪声。晶振内部集成了晶体管、二极管、电阻、电感和电容等元件，这些元件都会产生噪声，其中晶体管的噪声对振荡器的短期频率稳定性影响较大。

如何测量这些关键指标

• ①如何测量晶振频率：通过频率计或示波器进行测量

示波器

• ②如何测试精度：衡量晶振在工作温度范围内频率偏差的参数，通常以ppm（百万分之一）表示。这可以通过恒温箱或温度记录仪，在不同温度下测量晶振的频率，然后计算频率偏差。
• ③如何测量温度：工作温度范围（Operating Temperature Range）：晶振在正常工作状态下能承受的温度范围，通常以摄氏度（℃）表示。这同样可以通过恒温箱或温度记录仪进行测量。
• ④负载电容：晶振在振荡电路中需要的外接电容，单位为皮法（pF）。这可以通过专门的测量设备或者电路设计软件进行计算。

计算公式：晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C；

式中Cd、Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容；

Cic（集成电路内部电容）；

△C（PCB上电容）一般为3至5pf。

输出频率F与寄生电容是反比的：

当电路中心频率偏大时，说明负载电容CL偏小，增加Cg、Cd容值。

当电路中心频率偏小时，说明负载电容CL偏大，减小Cg、Cd容值。

• ⑤相噪（Phase Noise）：在频率很高或应用要求超稳频率时，相噪是个关键指标。它指的是输出频率短时的随机漂移，一般用dBc/Hz表示。这可以通过频谱分析仪进行测量。

频谱分析仪

• ⑥如何测量电压：

1. 使用万用表，将旋钮箭头旋到直流电压档位，例如20档位。红表笔应插到电压孔，黑表笔插到接地孔（GND）。

2. 准备好待测试的电路板，找到晶振的两个管脚，即频率输入脚与频率输出脚。

3. 将黑表笔接地，红表笔接到晶振的一个功能引脚上，测量并记录电压值。

4. 将黑表笔接地（GND），红表笔接到晶振的另一个功能引脚上，再次测量并记录电压值。 对于无源晶振，一般单片机的供电电压为5伏，因此测试电压正常时应当是2伏多一点。但两个引脚之间的电压差不应当太大，一般不应超过0.01~0.04伏。 另外，也可以使用示波器对无源晶振进行更精准的检测。将示波器接到晶振的输出端口，调节示波器的扫描频率，观察出现的波形。正常情况下，应当看到一个稳定的正弦波。通过测量波形的峰值，可以确定振荡频率是否在正常范围内。