01 晶体结构1.1 拆除晶体金属外壳晶体振荡器的核心是石英晶体，它一般是固定在金属外壳内。可以通过金属斜口钳对金属外壳结合部进行剪除，然后可以分离金属外壳和底座。  ▲ 图1.1.1 晶体金属外壳顶部对应的晶体谐振频率 下面是对一个3.579545MHz晶体金属外壳进行分离，去除顶部的金属壳之后下面的底座上固定有石英晶片以及相关的引脚。  ▲ 图1.1 外部金属壳去掉之后的内部结构 1.2 观察晶体内部结构通过放大摄像头可以进一步显示长条形状的石英晶片两端焊接固定在两个金属薄片上，然后在于底部的引脚相连，这种方式可以给晶体振荡留下运动空间。  ▲ 图1.2 晶体内部结构 从侧面来看，晶体中的石英晶片不是一个等厚的平板，而是一个中间厚，两边薄的薄片。这给我们留下一个问题：为什么采用这种厚度变化的结构？在生产过程中，如何对晶体的谐振频率进行最终确定？  ▲ 图1.3 晶体内部结构 从正面看，长条形状的晶体上下两个表面喷镀有金属电极，中间的晶体呈现透明状态。从上往下可以看到背面喷涂电极。  ▲ 图1.4 晶体内部结构 1.3 晶体参数晶体的工作原理是利用了石英的压电效应：当石英晶体在挤压、弯曲的时候，它的表面会产生电荷形成相应的电场。反之，当石英晶体处在电场内它也会产生相应的形变。这种 压电效应将外部的电能与石英晶体的机械能进行转换。  ▲ 图1.3.1 石英晶体电路符号与结构参数 在石英晶体中的机械能表现为两种：石英震动对应的动能以及石英弹性形变对应的势能。从电学上可以等效为对应的电感 与电容 的串联，耗散机械能的阻尼可以等效为串联电阻 。这些参数对应晶体的“运动参数”。此外，在晶体表面的电极之间还存在着“并联电容” ，它与前面RLC串联电路并联在一起。 通常情况下， 为几个 ，而对应的 则只有百分之几 。因此，对应晶体的两个谐振频率：串联谐振频率 与并联谐振频率 相差很小。  ▲ 图1.3.2 石英晶体谐振频率高 02 晶体振荡器2.1 搭建振荡器在面包板上搭建测试振荡器。 2.1.1 振荡器原理图下面给出了Colpitts（电容三点式）正弦振荡器原理图及其元器件参数。  ▲ 图2.1.1 振荡电路原理图及相关参数 2.1.2 面包板上搭建振荡器在面包板上搭建实验测试振荡器，其中的晶体还是 使用的是带有完整金属壳的晶体。  ▲ 图2.1.2 在面包板上搭建的振荡器  ▲ 图2.1.3 上电后，振荡器起振过程 2.2 测量频率为了提高测量频率的精度，使用DG1062数字控制信号源产生参考信号。利用示波器X-Y档观察李萨如图最终确定振荡器频率。 测量得到的振荡频率为：3.578702.3MHz。 ▲ 图2.2.1 利用DG1062信号源作为参考信号观察李萨如图 ▲ 图2.2.2 利用参考振荡器与晶体振荡器对比振荡频率 2.3 改变晶体谐振频率使用油性记号笔在晶体表面点一个小点，测量一下晶体频率的变化。 ▲ 图2.3.1 油性记号笔 下面是油性笔留在晶体表面非常小的油墨，它改变了晶体的质量，从而会影响其谐振频率。 ▲ 图2.3.2 使用记号笔在晶体表面点了一个小点 经过一段时间，干燥后，测量振荡器的频率为：3.578490.25Mhz。 可以看到谐振频率减少了 208 Hz。 使用酒精棉将黑点去掉，干燥后重新测量频率为：3.578679MHz，与初始状态相差3Hz。 早期的生产晶体振荡器的工人师傅就注意到，使用铅笔在晶体表面留下划痕，会改变晶体的谐振频率，并使用这种方法来调整晶体频率。 早期的晶体体积比较大，可以购买到的频率种类较少，在博文 HACK YOUR CRYSTAL’S FREQUENCY[1] 也讲述了 一个早期无线电爱好者的故事，为了把一个 3.560MHz的晶振修改成3.558MHz，从而能够接收无线电码，也是使用铅笔对晶体进行涂写，将振荡频率逐步修改成所需要的名称。 ▲ 图2.3.3 修改你的晶体振荡频率 ▲ 图2.3.4 电子爱好者漫画，对谐振晶体进行改造该改变频率 由于晶体的谐振频率对表面附加质量非常敏感，现在人们利用这个原理开发出“石英晶体微量天平”（ Quartz Crystal Microbalance (QCM) ），灵敏度非常高，而且价格便宜，可以测量到纳克级别的重量。 ▲ 图2.3.5 石英晶体微量天平结构 ※ 小 结 ※本文就拆开的一个普通的晶体进行观察，构建了 Colpittz振荡电路，并对晶体表面留下记号笔痕迹后谐振频率的改变进行了测量。这种方法可以对晶体的谐振频率进行修改，反过来也可以用于测量微小质量的改变。 参考资料[1] HACK YOUR CRYSTAL’S FREQUENCY: https:///2010/05/10/hack-your-crystals-frequency/ |
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