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学习晶振的相关知识。
01-什么是晶振?
02-晶振的工作原理
03-晶振是怎么产生时钟信号的?
晶体谐振器,是由石英晶体片或陶瓷晶体片经过加工并镀上电极而做成的。
石英晶体或陶瓷晶体片有一个特殊的特性——压电效应,就是当我们在晶体上施加电压时,晶体中的晶格在电场力的作用下内部会出现较强的内应力而发生变形,晶体在电场的作用下,其内应力和形变都会发生变化,产生机械振动。当电场消失后,晶体的变形也会随之消失。
当我们给晶振通入一个稳定的交变信号,晶振就会产生稳定的机械振动,下图所示为晶振的符号和等效电路。
晶振两端施加的交变信号频率等于晶振谐振频率时,晶振的电抗为0呈现电阻特性。谐振频率也是晶振等效电路中C1,L1,R1串联支路的谐振频率,故也称串联谐振频率。
晶振的反谐振频率指的是整个等效电路的谐振频率也称并联谐振频率。当输入信号的频率接近并联谐振频率时,晶振的电抗趋于无穷大。
从Fa到 Fs之间的区域就是通常所谓的“并联谐振区”也是晶振正常工作的区域了。在此区域晶振呈电感特性,从而带来了相当于180 °的相移。
那么在实际电路设计中,谁来提供稳定的交变信号呢?就是单片机(芯片)了。具体的参考电路如下图所示。通常皮尔斯振荡电路的晶振振荡电路,其实就是由单片机内部的反相器和反馈电阻,与外部的两个电容组成。有了芯片提供突变信号晶振就可以产生频率稳定的振荡信号了。
04-晶振的分类
一般晶振分为两种:有源晶振、无源晶振。
有源晶振也叫晶体振荡器,Oscillator。无源晶振有时也叫无源晶体,Crystal,晶体谐振器。
简单来说,有源晶振自己供上电就能输出振荡信号;无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。
以上分类是从使用角度来说的,如果我们单看晶振的内部构造,就会发现有源晶振内部是包含了一个无源晶振,然后再将阻容、放大等电路也包含进去,整体封装好再给使用。
有源晶振内部构造包含了无源晶振,一般来说,有源晶振比无源晶振要贵。另一方面,我们只要了解了无源晶振的特性,有源晶振也就差不多了。毕竟,有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路,供上电就能输出振荡信号了。
05-晶振如何选型?
一般情况下,我们需要根据自己的应用,选择晶振的类型,比如是有源的还是无源的。如果是无源的话,需要关注下面这些参数:
1)标称频率:在晶振的外壳上可以找频率,不同晶振对应不同的频率,选择多大频率的晶振,取决于系统的要求,比如STM32F103RCT6单片机的HSE时钟输入典型值是8MHz,因此选择相应8MHz频率的晶振即可。
2)精度:指的是晶振的频率相对于标称值的最大允许偏差,一般用ppm来表示,即百万分之一,值越小精度越高。
3)ESR 等效串联电阻:晶振的内阻,和晶振的功耗有关系,如果ESR太高,功耗会增加,甚至无法起振。如果ESR越小,成本也会有所增加,因此可以根据实际情况进行选择。
06-晶振的测量
使用示波器直接测输出波形,看输出频率是否稳定并计算频率。
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