晶振工作原理及参数详解(最透彻) (2)

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(但不是标称频率),其表达式如下所示:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

 

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:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

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,如下图所示:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

 

此时的频率如下图所示:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

通常厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL,实际的晶体元件应用于振荡电路中时,它一般还会与负载电容相联接,共同作用使晶体工作于Fr和FL之间的某个频率,这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率。

当负载电容与晶体串联时,如下图所示:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

 

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

串接的小电容CL可以使石英晶体的谐振频率在一个小范围内调整,此时新的负载谐振频率如下式所示:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

其中,C1远远小于C0+CL

当负载电容与晶体并联时,如下图所示:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

 

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

同样,并联的负载CL也可以小范围调整谐振频率,相应的负载谐振频率如下式:

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

 

从实际效果上看,对于给定的负载电容值,F’r与F’L两个频率是相同的,这个频率是晶体的绝大多数应用时所表现的实际频率,也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数,也就是本文最开头介绍的晶振标称频率,

当晶体元件与外部电容相连接时(并联或串联),在负载谐振频率时的电阻即为负载谐振电阻RL,它总是大于晶体元件本身的谐振电阻。  

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,下图是一个串联型振荡器电路,其中,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。

晶振工作原理及参数详解(最透彻)

 

并联型振荡器电路如下图所示,这种形式读者可能见得更多些,一般单片机都会有这样的电路。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)

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