一文详解晶振的工作原理、压电效应、压电谐振和计时器功能

时间： 2024-05-17 来源：东芯恒科官网

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晶振的工作原理是是什么？晶振是一种高精度、高稳定度的振荡器，广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各种振荡电路中，也用于频率发生器的通信系统、数据处理设备的时钟信号和特定系统的参考信号。

石英晶振是一种利用应时晶体（二氧化硅晶体）的压电效应制成的谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片将发生机械变形。相反，如果对晶片的两面都施加机械压力，就会在晶片的相应方向上产生电场。这种物理现象被称为压电效应。如果在晶片的两极施加交变电压，晶片会产生机械振动，同时晶片的机械振动会产生交变电场。一般来说，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都很小，但当外加交变电压的频率为某一值时，振幅明显增大，远大于其他频率，这种现象称为压电谐振，与LC电路的谐振现象非常相似，其共振频率与切割模式、几何形状和晶片尺寸有关。

当晶体不振动时，可视为平板电容，称为静电电容c，其大小与晶片的几何尺寸和电极面积有关，一般约为几PF到几十PF。晶体振荡时，机械振动的惯性可以等效为电感l，l的一般取值为几十mH到几百mH。芯片的弹性可以等效为电容C，C的值很小，一般只有0.0002~0.1pF，晶圆振动时摩擦造成的损耗等效为R，其值约为100。因为芯片的等效电感很大，而C很小，R也很小，所以环路的品质因数Q很大，可以达到1000~10000，另外，晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状和尺寸有关，可以精确制作，所以石英谐振器组成的振荡电路可以获得很高的频率稳定性。

计算机都有个计时电路，虽然“时钟”这个词常用来表示这些设备，但它们实际上不是通常意义上的时钟，称它们为计时器可能更合适，电脑计时器通常是一个精密加工的应时晶体，应时晶体在其张力范围内以一定的频率振荡，这取决于晶体本身的切割方式及其张力的大小。有两个寄存器与每个应时晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器，应时晶体每振动一次，计数器就减一，当计数器减为0时，产生一个中断，计数器重新载入保持寄存器的初始值。这种方法可以对定时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能，每次中断称为一个时钟嘀嗒（clocktick）。

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