发布时间：2025-06-13 阅读量：138 来源: 我爱方案网 作者: 扬兴晶振
【导读】晶振自身产生时钟信号，为各种微处理芯片作时钟参考，晶振相当于这些微处理芯片的心脏，没有晶振，这些微处理芯片将无法工作。晶振的作用就是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振主要运用于单片机、DSP、ARM、PowerPC、CPLD/FPGA等CPU，以及PCI接口电路、CAN接口电路等通讯接口电路。
晶振是有源晶振的简称，也叫振荡器，完整专业术语称之为晶体振荡器，Crystal Oscillator，简写为XO。需要供电,振荡电路在晶振内部。
晶体则是无源晶振的简称，也叫谐振器，完整专业术语称之为晶体谐振器，Crystal，简写为XTAL。无需供电，需要配合振荡电路才能工作。
一、晶振的工作原理：
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，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。
石英晶体有一个很重要的特性：如果给它施加交变电压，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械振动，它又会产生交变电压，这种特性叫压电效应。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振。它与LC回路的谐振现象十分相似。
一个石英晶振可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。这个二端网络有两个谐振点，对应两个谐振频率，即fs和fp，fp略大于fs。
其中较低的频率fs为串联谐振频率，较高的频率fp为并联谐振频率。由于晶体自身的特性，这两个频率的距离相当接近，在这个极窄的频率范围内，晶振可以进一步等效为一个电感。
因此，如果我们在晶振的两端并联上合适的电容，它就会组成一个并联谐振电路。将这个并联谐振电路再加到一个负反馈电路中，就可以构成正弦波振荡电路。
而且，由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，晶振等效为电感的频率范围很窄，振荡频率就非常稳定。它的谐振频率基本上只与晶片的形状、材料、切割方向等密切相关，再加上控制几何尺寸已经可以做到很精密，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化，这就是晶振电路频率稳定的原理。
二、晶振主要分为以下五大类：
1）无源晶振Passive Crystal Resonator（XTAL）
是一种无需外部电源直接驱动的晶体谐振器，其自身不具备振荡功能，需要配合外部电路（如芯片内部的振荡电路）才能产生时钟信号。无源晶振的频率稳定度主要取决于其内部晶体的特性以及外部电路的设计，通常频率稳定度在10⁻⁵至10⁻⁶量级。其结构简单，仅由晶体和封装组成，工作时依赖外部电路提供激励信号。
2）普通晶振Simple Packaged Crystal Oscillator（SPXO）
是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中价值较低的产品。其工作完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。
从原始石英晶体坯料到封装为最终的晶振
3）温补晶振Temperature Compensated Crystal Oscillator（TCXO）
温补晶振是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在-40℃~105℃的宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器；频率稳定度在5*10-7~5*10-8量级。
一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络，由温度感受器与频率补偿电路组成，通过温度感受器的电压变化控制VCO或变容二极管校准频率。由于其良好的开机特性、优越的性价比以及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而得到了广泛应用。
4）压控晶振Voltage Controlled Crystal Oscillator（VCXO）
压控晶振是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器。其频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合。主要用于锁相环路或频率微调。
5）恒温晶振Oven Controlled Crystal Oscillator（OCXO）
采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-8~10-9，高精度产品频率稳定度在10-10量级以上。
利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定，把由于周围温度变化而引起的振荡器输出频率变化的量，削减到最小。OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥"构成的差动串联放大器，来实现温度控制。主要用作频率源或标准信号。
OCXO被称为晶体行业的皇冠，尤其是OCXO用的晶体，需要优异的Q和老化，晶体行业最尖端的技术均用于了此行业，此行业可以说是晶体尖端技术的集合体。其本质上可以说是一个小型电子系统。OCXO与驯服晶振（GPSDO）、铷原子钟一样重要，而且性价比更高，用途也更加广泛。随着5G应用普及，OCXO的需求快速上升，一个5G小基站至少需要一个OCXO，而宏基站可能需要超过十个OCXO。
不同的特性决定了四种类型晶振的应用场合：如果需要设备即开即用，需选用SPXO、VCXO和TCXO。如果要求时钟信号有较高稳定度，推荐使用TXCO和OCXO。
三、晶振的应用
晶振的应用极其广泛，可以结合晶振主要参数进行具体应用，如输出频率 、频率稳定性、工作温度范围、输入电压和功率、输出波形、封装尺寸和外形等。以下列举晶振常用领域：
● 科研与计量：原子钟、测量设备、遥测、遥感、遥控等应用；
● 工业领域：通讯、电信、移动/蜂窝/便携式终端、航空、航海、导航、仪器仪表、计算机、数字设备、显示器、磁盘驱动器、调制解调器、传感器等应用；
● 消费领域：可穿戴式设备、智能家居、音响设备、有线电视系统与电视机、PC、摄像机、无线通信、玩具、医用装置与设备等应用；
● 汽车领域：ADAS、中控屏、仪表盘、流媒体后视镜、车载摄像头、毫米波雷达、激光雷达、车联网、胎压监测、车载导航等汽车电子应用。
【小知识】时钟芯片一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，英文名称：Real-time Clock/Calendar Chip（简称：RTC），可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。采用IIC通信接口。
晶振作为电子设备的"心跳发生器"，其起振状态直接决定系统能否正常运行。本文深度解析四种检测方法的实战要点：示波器法需规避探头电容引发的停振风险，万用表电压法需警惕芯片故障导致的误判，频率计通过波形特征精准锁定起振状态，而听声辨振实为认知误区——人耳可闻的异常声响反而暴露晶振缺陷。随着5G/新能源产业爆发式增长，国产晶振厂商正加速技术攻坚，保障起振检测的可靠性已成为行业刚需。
可编程晶振改变频率的核心原理是：通过内部集成的锁相环（PLL）和数字分频/倍频电路，对基础石英晶体产生的固定频率进行精密的数学运算（分频、倍频、分数分频），最终输出一个用户通过数字接口（如I²C、SPI）编程设定的目标频率。
晶振是电路中可以提供高度稳定时钟信号的元器件。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步，一起“干大事”。比如在我们常用的计算机系统中，晶振可比喻为各板卡的“心跳”发生器，如果主卡的“心跳”出现问题，必定会使其他各电路出现故障。人体的心跳搏动，离不开血液。晶振也是一样，离不开电流。
在汽车产业加速向"软件定义汽车（SDV）"转型的浪潮下，汽车制造商正以创新突破传统边界，聚焦于在区域控制器中集成受保护的半导体开关。以电子保险丝与 SmartFET 为代表的新型保护器件，不仅能高效保护负载、传感器和执行器，更从根源上提升了功能安全性，实现对功能故障的快速响应与精准应对。区别于传统域架构将软件分散部署于多个 ECU 的模式，区域控制架构采用集中控制与计算的核心思路——将分散的 ECU 软件统一整合至强大的中央计算机，为下游的电子控制与配电系统赋予了更高的灵活性。
