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晶振作为电子产品“心脏”,究竟起到什么作用

发布时间:2022-07-27

晶振作为电子产品“心脏”的关键部分,究竟是什么原理,能起到什么作用

如果要在电子产品中找到类似人体心脏的细节,第一个想到的就是晶振。电子产品的CPU能够有条不紊的运行,除了电源供给能量之外,晶振功不可没,它的作用就是能够给CPU提供时钟频率,特点就是稳定性极高。

接下来我们就来说说这个小玩意儿到底是怎么工作的。

晶振的英语是Crystal,她的意思是晶体、水晶,晶振的种类繁多,这是它的结构示意图,由外壳和他的两个引脚组成,在引脚附近的是绝缘体,作用是防止引脚和金属外壳短路。



中间是覆银层,当给覆银层加上电压之后,两个银层之间会形成电场,覆银层中间是石英晶体,也是这个晶振的核心,这一块儿石英晶体是按照一定方位从二氧化硅上切下来的薄片,形状为矩形或者圆形。

晶振能产生稳定的频率,主要利用的是石英晶体的压电效应。当我们给石英晶体施加电压时,石英晶体就会产生机械变形,变形之后就会产生电压,以此往复。



我们不停地给石英晶体交变的电压,它就能产生稳定的振动频率,以下是晶振的电路符号,这是它的等效电路。



当我们输入信号的频率等于谐振频率时,可以把LC串联阻抗看做0,此时称为串联谐振,当发生串联谐振时,它的整体阻抗很小,而发生并联谐振时它的整体阻抗很大。晶振就是工作在串联谐振或者并联谐振的情况下。



既然LC等效电路也能发生这样的谐振,那是不是可以用LC等效电路替代晶振?当然不可以,有一个评价的指标叫做品质因数,品质因数越大越好,LC电路的品质因数只有几百,而晶振的品质因数却高达几十万上百万。



还有一个疑惑的地方就是需要给晶振交变的电压,我们知道CPU的时钟源头来自晶振,那又有谁负责给晶振交变的电压呢?这得靠振荡电路来实现了。



这是一个皮尔斯振荡电路,黄色部分是一个反向器,它兼具把信号放大的作用,在它的输出端能输出稳定的频率,而是靠一个晶振是不能输出稳定的频率,它必须搭配振荡电路才可以正常工作。



这个皮尔斯振荡电路很常见,比如单片机的外围晶振电路就是利用了皮尔斯振荡电路,在单片机内部集成了一个反向器和一个电阻,所以这个晶振能正常工作。



这个电路之所以能起振,依靠的是电路里面的噪声。当这个反相器刚上电时,放大了各种频率的噪声信号,然后这个信号会传输给晶振,而晶振只允许频率等于谐振频率的信号通过,这就实现了对信号的选择。



可以把晶振的作用看作是滤波,滤掉不是谐振信号的频率,等于谐振信号的频率被反馈到了输入端,又一次被放大,以此往复,这个振荡电路就能产生稳定的频率,这就是晶振的工作原理,CPU的时钟源就是这么产生的。

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