电子器件系列十九：晶振

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。
它的基本结构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。
石英晶体的压电效应：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。注意，这种效应是可逆的。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。

每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，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。

晶振有无源晶振以及有源晶振，我们平时看到在电路板上面由电容、电阻等元器件来助起振的晶振其实就是无源晶振，它需要外部元器件辅助；二有源晶振它在单片机内部里面，它不用外部元器件辅助起振。时钟信号可以三种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，不过一般是RC振荡电路，产生时钟信端；另两种为外部方式，即外接一个晶振，时钟信号由外部引入和引入外部振荡器作为输入。

二、如何选择合适的晶振

可以说现在的晶振很多，我说的是单片机外接的晶振，有石英晶振，有温度补偿的晶振等等，那么我们在选择晶振时候需要注意哪些细节呢？

晶振主要的参数无非主要是这几个：频率；精度；适用的环境温度，封装尺寸。

1、频率

这应该最主要的参数，频率决定着单片机能否高速运行，如果使用过程中对于频率要求不是很严格，可以考虑用单片机内部晶振，例如对于STM32内部晶振它可以达到8MHz，甚至16Hz，如果对频率要求不高的话，也就是普通类型的驱动之类，不涉及两个单片机通讯、不涉及串口通信、不涉及时间方面，例如定时等，这时候可以考虑用单片机内部晶振，例如ST单片机内部自带的RC时钟 HSI(High-speed internal (HSI) RCoscillator)，频率一般是8MHz或16MHz，一般的贴片无源晶振都要几毛钱，如果使用内部振荡，可以省去不少钱呢，同时电路也省去了不少元器件；

2、精度

如果对于精度要求很高的话，例如电路当中会涉及到时间的准确精度的话那就只能用外部晶振了，因为外部晶振比较稳定而内部晶振的误差比较大，时间久了对于时间的累积产生很大误差，特别是对于RC振荡器对于温度比较敏感，容易受其影响。

3、环境温度

环境温度对于内部晶振，也就是RC振荡器影响较大，下图是某STM32芯片内部RC振荡器振荡频率误差值随着温度的变化曲线图，可以看出，在25℃左右时候，它的振荡精度能保持在1%以内，但是随着温度的不断上升或者下降，它的精度都逐渐下降，因此对于在使用环境温度比较恶劣且对时间有严格控制的场合的环境时候可以不考虑用内部的晶振。

4、封装尺寸

晶振的封装有很多，有贴片的、插进陶瓷、圆柱体的等，特别是现在的贴片晶振尺寸越来越小，可以满足不同的场合，在选用晶振时候需要考虑晶振尺寸对电路板的影响。

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1c。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。

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。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。

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