晶振作為時鐘電路中最重要的部件，在電路中起著產生震蕩頻率的作用，可以產生高度穩定的信號，并穩定工作環境，為系統提供基本的時鐘信號，在工業、科技、車載、數碼、電子等多個領域幾乎都有應用場景。

今天，我們就來一起學習下晶振的相關知識。

名詞定義

晶振全稱為晶體振蕩器，由石英晶體經過加工并鍍上電極制成，本質上是一個使用壓電效應的電子振蕩器電路，利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產生具有非常精確頻率的電信號。晶振的特性是通電后產生機械震蕩，可以給單片機提供穩定的時鐘源，提供的時鐘頻率越高，單片機運行速度越快。晶振在共振的狀態下工作，可以提供穩定，精確的單頻振蕩。

晶振類型

按制作材料分類：可分為石英晶振和陶瓷晶振。

按應用特性分類：可分為串聯諧振型晶振和并聯諧振型晶振。

按負載電容特性分類：可分為低負載電容型晶振和高負載電容型晶振。

按晶振的功能和實現技術分類：可以將晶振分為溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、壓控晶體振蕩器（VCXO）、普通晶體振蕩器（SPXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO）。

按封裝形式分類：可分為玻璃真空密封型晶振、金屬殼封裝型晶振、陶瓷封裝型及塑料殼封裝型晶振。

按外形分類：可分為長方形晶振、圓柱形晶振、橢圓形晶振。

按諧振頻率精度分類：可分為高精度型晶振、中精度型晶振及普通型晶振。

根據晶振的功能和實現技術的不同，可以將晶振分為以下四類：

1）恒溫晶體振蕩器（OCXO）

OCXO晶振對溫度穩定性的解決方案采用了恒溫槽技術，將晶體置于恒溫槽內，通過設置恒溫工作點，使槽體保持恒溫狀態，在一定范圍內不受外界溫度影響，達到穩定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設備，包括交換機、SDH傳輸設備、移動通信直放機、GPS接收機、電臺、數字電視及軍工設備等領域。根據用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。

OCXO的主要優點是，由于采用了恒溫槽技術，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設計精密，其短穩和相位噪聲都較好。主要缺點是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。

2）溫度補償晶體振蕩器（TCXO）

TCXO對溫度穩定性的解決方案采用了一些溫度補償手段，主要原理是通過感應環境溫度，將溫度信息做適當變換后控制晶振的輸出頻率，達到穩定輸出頻率的效果。傳統的TCXO是采用模擬器件進行補償，隨著補償技術的發展，很多數字化補償大TCXO開始出現，這種數字化補償的TCXO又叫DTCXO，用單片機進行補償時稱之為MCXO，由于采用了數字化技術，這一類型的晶振再溫度特性上達到了很高的精度，并且能夠適應更寬的工作溫度范圍，主要應用于軍工領域和使用環境惡劣的場合。

3）普通晶體振蕩器（SPXO）

SPXO是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補償”和“AGC”部分，完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應用于穩定度要求不高的場合。

4）壓控晶體振蕩器（VCXO）

壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調制的石英晶體振蕩器。VCXO是根據晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO，以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。

OCXO參數

OCXO晶振的主要參數有標稱頻率、頻率精度、頻率穩定度、頻率老化、功耗、工作溫度等。

(1)尺寸(Dimension):晶振的外形大小，區分SMD和THT兩種安裝形式；

(2)標稱頻率(MHz):這是最振輸出的基準頻率，也稱頻點。如果該頻點與應用不符合，用戶可向晶振廠家訂制專門的頻點；

(3)電源電壓(VCC):晶振工作必須的電壓，一般為3.3V/5V/12V；

(4)工作溫度(Operating temp.range):振蕩器能正常工作。其頻率及其他性能均不超過規定的允許偏差的溫度范圍；

(5)頻率精度(frequency tolerance):這是按規定條件，在+25°C基準溫度下測試，晶體振蕩器的頻率相對于其標稱值的最大允許偏差，即(f-fo)/f0，單位為ppm；

(6)頻率穩定度(Frequency stability):也稱溫漂，指輸出頻率相對于溫度的漂移。按規定條件要求，在規定溫度范圍內晶體振蕩器輸出頻率的最大變化量相對于溫度范圍內輸出頻率極值之和的允許頻偏值，即+(fmax-fmin)/(fmax+fmin)，單位為ppm；

(7)輸出功率(Output Power):加規定電壓和規定負載下，振蕩器消耗的電能，用電壓和省耗電流的積表示，單位為dBm；

(8)輸出電壓(正弦波):施加規定的電壓和負載，在規定的時間內達到穩定后，用RF表測得的有效值或用示波器測量電壓峰-峰值后換算的有效值；

(9)諧波失真:用不希望的信號頻諧分量和有用信號頻率的諧波關系描述的非線形失真；

(10)穩定時間(settle time):在+25C下，以通上電源60分鐘后的頻率為基準來調整頻率偏差至指定偏差以內所需的時間；

(11)相位噪聲(Phase Noise):是指信號功率和噪聲功率的比率(C/N)，是表征頻率顫料的技術指標。在對預期信號既定補償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位噪聲；

(12)年老化率(Aging/year):晶體振蕩器輸出頻率隨時間的變化，通常用一年為單位的頻率來量度，單位為ppm。

應用領域

移動電子設備：智能手機、ipad、移動pos機、筆記本電腦、照相機、攝像機、耳機、音響等。

醫療設備：x射線診斷設備、超聲診斷設備、功能檢查設備、內窺鏡檢查設備、核醫學設備、實驗診斷設備及病理診斷裝備等。

通訊網絡：通信網絡通常分有線和無線通信。有線通信涵蓋的技術領域包括：光輸網絡、數據處理、連接功能等。無線網絡涵蓋的技術領域通包括基帶、連接口、無線電等。OCXO主要用途為通信基站、智能電網、測試及量測設備，以及雷達、制導等軍事和宇航等領域，并不斷向小型化、高精度、高可靠、低功耗技術方向發展。封裝上，OCXO由傳統的裸金屬外殼夏塑料金屬向陶瓷封裝轉變，這大大縮小了器件體積。在高精度和高穩定度上，一些廠家已經采用雙層恒溫設計，開發出雙層恒溫石英振蕩器(DOCXO)。對于一些更高精度的導航應用，引入GPS馴服信號的馴服晶振(GPSDO) 具有優良的短、中、長期信號穩定度，性能可與原子鐘媲美，并有可能取代細分市場中的OCXO應用。

晶振作用

1.為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。

2.晶振與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。

切割工藝

切割工藝，就是對晶體坐標軸某種角度去切割。切型有非常多的種類，因為石英是各向異性的，所以不同的切型其物理性質不同，切面的方向與主軸的夾角對其性能有非常重要的影響，比如: 頻率穩定性，Q值，溫度性能等。

常見的切割類型有兩種，AT和BT切。

同種種頻率的晶振，AT切比BT切的溫度系數要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。

晶振測試

1）示波器檢測法

晶振在激發時會產生正弦波，如果在時鐘引腳上查看代表正弦波的波形是合適的。測試注意如下：

1.將晶振一端連接到示波器表筆探頭，鱷魚夾就近接地進行測量。為了更好的信號保證度，可以使用接地彈簧；

2.探頭的輸入電容比最振的負載電容要大，當使用不恰當的探頭進行測量時可能會引起晶振停振。測量晶振時需要將探頭擋位調為X10檔，減少探頭輸入電容。下圖是是德科技一些無源探頭的規格參數，如果有條件可以使用有源探頭，有源探頭通常輸入電容能達到2pF以下；

3. 要顯示完美的方波，至少需要5倍的帶寬，比如需要測試60MHZ頻率的方波晶振，需要使用300MH2帶寬的示波器。同時示波器探頭也要滿足帶寬要求；

4. 一般示波器是基于周期測量結果反算頻率，測量誤差較大。最好選用內置頻率計功能的示波器；

2）頻率計數器檢測法

在設備電源“打開”時進行測量。將儀表或頻率計數器的探頭放在晶振引腳上并讀取測量確保使用的頻率計數器表的范圍高于正在檢查的晶振頻率；

3）頻譜儀測試晶振

頻譜儀可以測量晶振的頻偏，連接好儀器后可以查看中心頻率點即晶振的頻率，如下圖所示:

4）測試電路檢測法

顯示器件能夠顯示字符和符號，在電子設備中的應用日益廣泛。LED (發光二極管)數碼管和液晶顯示屏是應用最普遍的顯示器件；

通常，將晶振放置在晶體管的反饋網絡中。如果振蕩并且LED亮起，這意味著晶振正在運行。如果晶振不工作，LED將熄滅。

——作者 君鑒科技/楊洋

——來源 每日E問eteforum