硬件工程师的福音

shhhdz · 发表于 2016-5-31 14:06

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关于晶振的那些事……

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。所以说晶振是智能硬件的“心脏”。

每个单片机系统里都有晶振(晶体震荡器)，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。

复杂的电子产品，晶振是必须的，而RC或LC振荡无法企及，原因就是信号的稳定性不够，而晶振的三种切型：AT切，SC切和X切，把石英按照一定的角度切成薄片，而根据其厚度就可以给出一定的频率信号，根据需要可以任意设计频率值。

石英晶体俗称水晶，成分SiO2，它不仅是较好的光学材料，而且是重要的压电材料。晶体的主要特征是其原子或分子有规律排列，反映在宏观上是外形的对称性。人造水晶在高温高压下结晶而成。在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率。我们利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。

晶振的分类

1、从外观上可以划分为：圆柱晶振（DIP）、贴片晶振（SMD）。

谐振器一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圆柱）。HC-49U一般称49U，有些采购俗称 “高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。音叉型按照体积分可分为3*8，2*6，1*5，1*4等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。脚位有4pin和2pin之分。

而振荡器也是可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。而从不同的应用层面来分，又可分为OSC(普通钟振)， TCXO（温度补偿），VCXO（压控），OCXO（恒温）等等。

2、从工作性能上分为：石英晶体谐振器（无源）、石英晶体震荡器（有源，带电压的。晶体振荡器又可分为Package石英振荡器(SPXO)、温度补偿石英振荡器(TCXO)、电压控制石英振荡器(VCXO)、恒温槽式石英振荡器(OCXO)）。

①无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。

②有源晶振——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。有源晶振逐步演变为市场主流。

有源晶振的主要参数：

1）、总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。

2）、率压控线性：与理想（直线）函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。

3）、频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。

4）、频率老化率：在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率（如±10ppb/天，加电72小时后），或规定的时限内最大的总频率变化（如：± 1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））来表示。

5）、开机特性（频率稳定预热时间）：指开机后一段时间（如 5 分钟）的频率到开机后另一段时间（如1小时）的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。

我们知道了这些内容后，又听到别人说过陶瓷晶振，那么相比石英晶振总会有所不同了吧，这是当然的啦！

陶瓷谐振器多用在电视，DVD摇控，玩具产品等精度要求不高的产品中，而对于精度要求较高的电子仪器仪表，通信通讯等消费电子产品中，就需要石英谐振器了，而且根据不同的需要，调整频差也要求不一。而且，晶振现在是越做越小，业内现在也只做3225的晶振，而于更小型化的2025,暂时还没有出现，这是一个方向。早晚都会出来的。

在现实生活中，手机蓝牙一般用4025或5032 13MHZ或26MHZ的帖片晶体振荡器；而MP3，U盘大多用503212.000MHz的帖片晶体；对于视频采集卡或GPS用的就更加精准一些。例如：SMD TCXO 19.2MHZ或38.4MHZ，最后通信通讯用25.000MHZ的帖片晶体。

二、与晶振相关的术语解释专业词：

1、标称频率：晶振是一种频率元器件，每一款晶振都有自己的频率。频率通常会标识在产品外壳上,进口晶振品牌则会有品牌的logo标识又或字母代替。

2、温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25±2℃）时工作频率的允许偏差。

3、工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。

4、调整频差：在规定条件下,基准温度（25±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。

5、负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率.在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个,在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。

6、动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。用R1表示。

7、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用RL表示.RL＝R1（1+C0/CL）2

8、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等。

9、基频：在振动模式最低阶次的振动频率。

10、老化率：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。

11、静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

12、负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。负载电容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100P。只要可能就应选推荐值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。32.768K晶振常用的负载电容为12.5PF，6PF，9PF等。

13、泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

三、影响晶振精度的因素：

晶振的精度单位是（PPM）不仅是决定了晶振的价格，也决定了是否符合你产品的技术参数。一般常用的精度为20PPM。那么影响晶振精度的因素有哪些呢？

尽管一个石英晶体振荡器的频率精度是正负20PPM，但可能会因为电压变动有正负10PPM的影响，焊接温度有正负5PPM的影响，机械振动与冲击有正负3PPM的影响，温度范围可能有正负5-20PPM的影响等等。

这些都十分常见的影响精度的因素，必须考虑进去，单石英晶体振荡器厂商却只告诉客户产品的精度是正负20PPM。事实上，实际应用环境中精度可能只能达到50PPM。因此，客户需要50PPM精度的时候，选择了20PPM的石英晶体振荡器是正确的。

四、晶体振荡器选购指南：

晶体振荡器有多种封装，特点是电气性能规范多种多样。它有好几种不同的类型：电压控制晶体振荡器（VCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO），以及数字补偿晶体振荡器（MCXO或DTCXO），每种类型都有自己的独特性能。如果需要使设备即开即用，您就必须选用VCXO或温补晶振，如果要求稳定度在0.5ppm以上，则需选择数字温补晶振（MCXO）。模拟温补晶振适用于稳定度要求在5ppm～0.5ppm之间的需求。VCXO只适合于稳定度要求在5ppm以下的产品。在不需要即开即用的环境下，如果需要信号稳定度超过0.1ppm的，可选用OCXO。

频率稳定性的考虑

晶体振荡器的主要特性之一是工作温度内的稳定性，它是决定振荡器价格的重要因素。稳定性愈高或温度范围愈宽，器件的价格亦愈高。工业级标准规定的-40～+75℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-30～+70℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。设计工程师要慎密决定特定应用的实际需要，然后规定振荡器的稳定度。指标过高意味着花钱愈多。晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同，有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化，也就是说在产品使用的第一年，这种现象才最为显著。例如，使用10年以上的晶体，其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况，也可以采用调节的办法解决，比如，可以在控制引脚上施加电压（即增加电压控制功能）等。

与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动，这些指标应该规定出来。对于工业产品，有时还需要提出振动、冲击方面的指标，军用品和宇航设备的要求往往更多，比如压力变化时的容差、受辐射时的容差，等等。

输出

必须考虑的其它参数是输出类型、相位噪声、抖动、电压特性、负载特性、功耗、封装形式，对于工业产品，有时还要考虑冲击和振动、以及电磁干扰（EMI）。晶体振荡器可HCMOS/TTL兼容、ACMOS兼容、ECL和正弦波输出。每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定。许多DSP和通信芯片组往往需要严格的对称性（45%至55%）和快速的上升和下降时间（小于5ns）。相位噪声和抖动：在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。它可测量到中心频率的1Hz之内和通常测量到1MHz。晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。

抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。以微微秒表示的抖动可用有效值或峰—峰值测出。许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必须满足严格的拌动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。

电源和负载的影响：振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能。不能期望只能额定驱动15pF的振荡器在驱动50pF时会有好的表现。在超过建议的电源电压下工作的振荡器亦会呈现较差的波形和稳定性。对于需要电池供电的器件，一定要考虑功耗。引入3.3V的产品必然要开发在3.3V下工作的振荡器。较低的电压允许产品在低功率下运行。大部分市售的表面贴装振荡器在3.3V下工作。许多采用传统5V器件的穿孔式振荡器正在重新设计，以便3.3V下工作。

封装

与其它电子元件相似，时钟振荡器亦采用愈来愈小型的封装。根据客户的需要制作各种类型、不同尺寸的晶体振荡器（具体资料请参看产品手册）。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以，小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。

工作环境

晶体振荡器实际应用的环境需要慎重考虑。例如，高强度的振动或冲击会给振荡器带来问题。除了可能产生物理损坏，振动或冲击可在某些频率下引起错误的动作。这些外部感应的扰动会产生频率跳动、增加噪声份量以及间歇性振荡器失效。对于要求特殊EMI兼容的应用，EMI是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的PC母板布局技术，重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说，具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI特性。

检测

对于晶振的检测，通常仅能用示波器（需要通过电路板给予加电）或频率计实现。万用表或其它测试仪等是无法测量的。如果没有条件或没有办法判断其好坏时，那只能采用代换法了，这也是行之有效的。

晶振常见的故障有：（a）内部漏电；（b）内部开路；（c）变质频偏；（d）与其相连的外围电容漏电。从这些故障看，使用万用表的高阻档和测试仪的Ⅵ曲线功能应能检查出（C),(D）项的故障，但这将取决于它的损坏程度。

总结：器件选型时一般都要留出一些余量，以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率，带来潜在的效益，这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理，这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素，这里的成本不仅仅包含器件的价格，而且包含产品全寿命的使用成本。

五、晶振体积变化趋势及优点：

电子行业的朋友们都知道：32.768K晶振在钟表里面必不可少被称为表晶。近年来整个晶体行业也在不断随着市场需求的改变而变化。最明显的就是晶振尺寸的变化，如图我们可以看到近年来晶体体积的变化趋势。

从该图中可以看出如今市场主流的是超小超薄型贴片晶振。小型贴片石英晶振,外观尺寸具有薄型表面贴片型石英晶体谐振器,特别适用于有小型化要求的市场领域，晶振本身超小型，薄型，重量轻，晶体具有优良的耐环境特性，如耐热性，耐冲击性，在办公自动化，家电相关电器领域及Bluetooth，Wireless LAN等短距离无线通信领域可发挥优良的电气特性，满足无铅焊接的回流温度曲线要求。

一般民用产品使用的是普通晶体谐振器，由于一些高端智能产品对晶振的要求更加严格，使用的是振荡器。振荡器的优势：快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势，电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。

六、应用：

晶振的应用非常广泛，常用于：智能手机、平板电脑、蓝牙、数码产品、LED显示屏、通讯设备、安防产品、数码科技、汽车电子、智能机器人、医疗设备、无人机以及高端的航空领域等。还被广泛应用到军、民用通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，无线电综合测试仪，BP机、移动电话发射台，高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等等。90%的电子设备中都有用到晶振，它是是电子产品里面的“小心脏”。

应用于不同的产品要求都有所不同，晶体行业在几年来也在随着各种智能产品的横空出世不但地发生改变，以满足电子行业的市场需求，从以前的大体积插件转变为如今的超小超薄型贴片晶体，精度越来越小，使产品变得更加稳定。

电脑：

电脑里面用到一款49S贴片晶振。当我们电脑启动的时候就需要晶体的频率传送命令从最初的开机动作开始。电脑里面还使用到了一款圆柱32.768KHZ晶振，是显示时间的作用。

相机：

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相机里面有用到插件晶振32.768K和贴片晶振5032的12M，开机需要晶振来传达这个命令使其开机，我们拍摄时需要晶振来输送这个信号,才能够使他正常工作。

智能家居：

包括空调、灯、窗帘、安防、监控等等产品，都需要无线传输模块，它们通过蓝牙、WIFI或者是ZIGBEE等协议，将模块从一端发到另一端，或者通过手机控制。一般来说，智能硬件产品都需要进行数据传输，少不了无线传输模块，而晶振，在无线模块里是非常核心的元件。将晶振放置在模块里，应用在实际产品中，这些产品才有了智能化的可能。目前晶振产品不断再往智能硬件方向研制，往贴片化、小尺寸方向发展。平常一般的家电，加上一个模块，变成了一个智能家居，通过手机或是APP管理，就变成了智能化。例如一个2。4G的模块，再加上晶振，在加上一些软件的团队，就可以把这个东西做出来。如今晶振不断实现从大尺寸到小尺寸的精细化发展，与智能硬件产品相匹配。随着智能硬件的广泛普及，晶振行业将迎来一个更大的市场发展空间，更的发展前景。

物联网：

物联网是一门复杂的应用技术，它所涵盖的范围很广，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还涉及到了无限通信原理以及半导体集成电路技术，是一项集多学科融合的新兴应用技术。而在无线通信原理应用中，有一款晶振是比较重要的，那就是3.2*2.5尺寸的24Mhz石英晶体谐振器，其主要作用便是起到发送和接受频率信号。因此，它为石英晶振带来的第一大机遇，随着物联网发展，石英晶振也变成了热门的产品。

白色家电：

家里常用的白色家电无外乎，电饭煲、电磁炉、榨汁机和微波炉等等，这些无一例外都存在加热的功能，而这些家电在使用单片机MCU控制的时候，必须要在线路中加上晶振—压电石英晶振或者压电陶瓷晶振，在单片机计算时提供一个稳定的频率，再根据单片机的指令实现每个按键对应的功能。

一般的消费类电子应用的单片机，对晶振要求的精度不严的时候，会采用压电陶瓷晶振如：ZTA4.0MG，4.000MHz按照千分比的精度换算为频差是12KHz,一般的单片是可以正常工作的。

LED显示屏：

LED显示屏里面需要应用到32。768K圆柱晶体以及一款石英贴片晶体。32。768K在其中主要是起着显示的作用，32。768K是晶体的一种频率，当然这种频率同时被称为“表晶”主要是显示时间的作用，通常应用于所有与时间系统有关的产品。贴片晶振主要是为产品提供稳定频率的作用。所以说LED的大是离不开晶振的支撑。

汽车电子：

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车载用晶振从插脚型产品8045-5032-3225和小型化转变。这是由于晶体产品整体的包装都在往小型化方向转变。加上汽车特殊的高温动作（+-150℃）的要求，对提高焊接裂纹耐性等的要求也提高了。特别是为了提高ECU的处理性能，动作频率趋于高频化，可以遇见小型话的需要将更加激烈。车载用电子元器件中。

1 、广范围的动作温度（-40~+-125℃、根据场合不同也可达到+-150℃）

2、AEC-Q200所代表的高信赖性

3、零缺陷等品质的高要求

安防：

49SMD和49S是目前非常成熟，国内生产稳定的晶体，在安防产品的兴起，需求不断加大。

1、安防类主要用到的频率为：13.560MHz，24.000MHz，12.270MHz，17.3744MHz，18.9375MHz，28.375MHz，37.875MHz，38.13986MHz

2、对讲机主要用到的频率为：21.400MHz，21.7000MHz。同时还应用到门禁系统、可视电话/对讲门、小区智能化控制系统等……

其他应用......

七、晶振不起振原因分析：