数字电路心脏——晶振，如何使用与常见注意事项

晶振，在板子上看上去一个不起眼的小器件，但是在数字电路里，就像是整个电路的心脏。数字电路的所有工作都离不开时钟，晶振的好坏，晶振电路设计的好坏，会影响到整个系统的稳定性。所以更多的了解晶振，选择好系统使用的晶振，对数字电路来说是决定成败的第一步。

晶振的分类

我们目前常说的晶振都是石英晶体振荡器或者石英晶体谐振器的简称。他们都是利用石英晶体的压电效应制作而成。在石英晶体的两个电极上施加电场会使晶体产生机械变形，反之，如果在晶体两侧施加机械压力就会在晶体上产生电场。利用这种特性，在晶体的两侧施加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时产生交变电场。这种震动和电场一般都很小，但是在某个特定频率下，振幅会明显加大，这就是压电谐振，和我们常见到的LC回路谐振有些类似。

晶振的频率稳定度受温度和老化的影响最大。根据晶振使用的与温度特性有关的基本元件和具备的机能所组成的矩阵变换电路来分类，一般可以分为以下四类：

简单封装水晶振荡器(SPXO)

不进行温度控制和温度补偿的水晶振荡器,频率温度特性基本依赖于水晶谐振器；

温度补偿水晶振荡器(TCXO)

附加温度补偿电路,减少因周围温度变化而引起的频率变化；

电压控制水晶振荡器(VCXO)

通过外部的控制电压使输出频率可变或可调制；

带恒温槽水晶振荡器(OCXO)

用恒温槽使水晶振荡器或水晶谐振器保持一定的温度,使周围温度变化引起的频率变化达到最小。

我们目前常说的晶振都是石英晶体振荡器或者石英晶体谐振器的简称。他们都是利用石英晶体的压电效应制作而成。在石英晶体的两个电极上施加电场会使晶体产生机械变形，反之，如果在晶体两侧施加机械压力就会在晶体上产生电场。并且，这两种现象是可逆的。利用这种特性，在晶体的两侧施加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时产生交变电场。这种震动和电场一般都很小，但是在某个特定频率下，振幅会明显加大，这就是压电谐振，和我们常见到的LC回路谐振有些类似。

如何使用晶振

晶振振荡电路

上图就是一个常见的晶振振荡电路，晶振和CX1、CX2组成并联谐振回路，接到芯片的管脚上，与芯片内部的反相放大器成负反馈回路。

晶振的重要参数就是负载电容，选择与负载电容相等的电容并联，能保证晶振工作在额定频率。假如晶振的负载电容是15pf，那么CX1、CX2我们可以选择30pf，考虑到芯片管脚电容和PCB走线电容的影响，这个取值也可以适当减小，27pf，22pf一般也能正常工作。

在满足起震要求的情况下，CX1、CX2可以选择的尽量小，这样可以加快晶振的起震时间。需要注意的是，有些晶振厂商会直接提供CX1、CX2的推荐值，而不是给出负载电容，所以在实际使用的时候还是要根据使用的具体型号去和厂家确认。

晶振除了压电效应以外，还有一个不能被忽略的特性，就是温漂。晶振的振荡频率会随着环境温度的变化发生微小的偏移，这是晶振固有的特性。正是由于温漂的存在，普通晶振的精度很难做的很高，常见的晶振精度多为40ppm，20ppm，很难做到10ppm以下。这种精度在一些对晶振精度要求不高的场合，如微处理器的时钟输入等，完全能够满足需求。但是在无线通信，蜂窝应用，广播电视等应用领域，需要时钟精确同步，普通晶振就很难满足系统需求了。为了解决温漂带来的影响，系统就要选择精度更高的温补晶振或者恒温晶振。温补晶振是通过感应环境温度，然后将温度信息转换成控制量控制晶振的输出频率。现在的温补晶振多采用数字化技术，能够达到更精确的控制。而恒温晶振更进一步，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使恒温槽保持一个恒温的状态，晶体在恒温槽内就可以不受外界温度的影响，大大提高晶振输出频率的稳定度。温补晶振和恒温晶振的输出精度都能够达到1ppm甚至更高，能够满足严苛的系统需求。

由于晶振在数字电路中的重要性，在使用和设计的时候我们需要小心处理。

晶振内部存在石英晶体，所以在受到外部撞击或者跌落的时候容易造成石英晶体断裂破损造成晶振失效。在设计的时候就要考虑晶振的可靠安装以及位置尽量不要靠近板边，设备外壳等等。

在手工焊接或者机器焊接的时候要注意焊接温度，晶振对温度比较敏感，焊接时温度不能过高，并且加热时间尽量短。

设计的时候尽量缩短晶振部分的走线，晶振走线和其他信号线之间保留尽量远的距离，并且推荐将晶振的外壳接地，这些措施都能更好的避免干扰。

谨慎选择CX1、CX2的容值。尽量按照厂家提供的推荐值设计。在满足起震要求的前提下，CX1、CX2的取值可以尽量小，能缩短晶振起震时间。

注意晶振是否被过驱动，过驱动会影响晶振使用寿命。如果用示波器测试发现晶振的输出被削波，波峰波谷被削平，那么就要考虑晶振是否被过驱动。可以适当调整R1限流电阻的阻值。直到输出完整的正弦波。

影响晶振质量的原材料

晶振由四部分组成，这四部分原材料的选用都会影响到晶振的质量。

水晶片：影响老化特性，长期使用后频率不稳，易碎，寿命低；

外壳：生锈，频率变化，密封性变化影响寿命；

基座：密封性，短期稳定性，弹片易碎；

导电胶：影响温度特性，抗振性。

晶振的常见注意事项

一般来说，晶振是一个系统的核心器件。晶振的好坏直接关系整个系统的稳定性。需要注意的主要有以下几点。

与加工工艺有关系的有以下两个方面，一个是过高温的回流焊，由于晶振是个物理器件，在过回流焊的时候高温可能会对晶振的频率造成一定的影响，偏离核心频率，这个在使用K级别晶振的时候需要特别注意。一个是清洗流程中的超声波清洗，这个主要是超声波频率如果落在晶振的工作频率上就可能引起晶振的共振，导致晶振内部的晶片碎掉，出现不良。

通常应用上需要注意的是让晶振工作在稳定状态，很多出现晶振失效的情况都是晶振长期工作在过驱动或者是欠驱动状态，这个可以通过查看晶振的输出引脚波形可以分析。过驱动可能导致晶振达不到正常的使用寿命，欠驱动可能导致晶振的抗干扰能力减弱，系统常常无故丢时钟。

晶振的抗干扰设计，由于晶振是个小信号器件，很容易受到外部的干扰，从而导致系统时钟出现问题。这块主要从两个方面处理，一个是layout上注意晶振时钟信号的处理，常用的是包地处理。一个是对板上其他频率器件的处理，这个就需要做好不同频率间的隔离处理。

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来源：周立功单片机； RFsister编辑整理