石英晶體振蕩器工作原理和應(yīng)用

　　首先咱們來簡單的了解下什么是石英諧振器，石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。本文要給大家介紹下關(guān)于石英晶體振蕩器的工作原理和應(yīng)用。

　　石英晶體振蕩器工作原理

　　計(jì)算機(jī)都有個(gè)計(jì)時(shí)電路，盡管一般使用“時(shí)鐘”這個(gè)詞來表示這些設(shè)備，但它們實(shí)際上并不是通常意義的時(shí)鐘，把它們稱為計(jì)時(shí)器(timer)可能更恰當(dāng)一點(diǎn)。計(jì)算機(jī)的計(jì)時(shí)器通常是一個(gè)精密加工過的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)以一定的頻率振蕩，這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個(gè)寄存器與每個(gè)石英晶體相關(guān)聯(lián)，一個(gè)計(jì)數(shù)器(counter)和一個(gè)保持寄存器(holdingregister)。石英晶體的每次振蕩使計(jì)數(shù)器減1。當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，計(jì)數(shù)器從保持計(jì)數(shù)器中重新裝入初始值。這種方法使得對一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行編程，令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能。每次中斷稱為一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒(clocktick)。

圖1、石英振蕩器

　　晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。

　　晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。一般的晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

　　石英晶體振蕩器的應(yīng)用

　　石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點(diǎn)。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度。從石英晶體振蕩器原理的示意圖中，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。

圖2、石英振蕩器

　　根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只要經(jīng)過耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。

　　隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價(jià)格便宜，更換容易。

　　總結(jié)

　　石英晶體振蕩器具有小型化、薄片化和片式化為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>