石英晶体振荡电路的原理和应用

1.石英晶体

石英的化学成分是二氧化硅，广泛存在于自然界中，砂石的主要成分是二氧化硅，玻璃的主要成分也是二氧化硅。很多天然石英晶体非常漂亮，包括水晶、玛瑙和燧石等，用力敲击摩擦燧石时会产生火花，这是古老的取火方法。

燧石取火其实是石英晶体压电效应的表现形式，石英晶体具有强烈的压电效应，能把电信号转换为机械形变，也能把机械形变转换为电信号，是性能非常好的频率选择元件。石英晶体最重要的参数是它的标称频率，标称频率取决于几何尺寸和形状，因此不容易受到电磁波的干扰，工作稳定度非常高，能够满足日常生活中的钟表、电视机、计算机、手机等绝大多数场合的需求。

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（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覆银层作电极，在每个电极上各焊一根引线接到引脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体元件，外观如图6.28所示。从图中可以看到，石英晶体元件的标称频率都标注在外壳上，单位通常为MHz，有一种石英晶体元件的标称频率为32　768Hz，体积较小，应用十分广泛，主要用于计量时间的仪器仪表。

石英晶体元件有时候也被称为“晶振”，这是不准确的名称。“晶振”的准确含义为：石英晶体振荡器，也就是说“晶振”是包含石英晶体元件的振荡器电路。石英晶体元件必须放在振荡器电路中才能起到重要的元件作用，输出信号是由整个电路产生的，不是由石英晶体元件单独产生的。市场上另有一类封装好的“晶振”器件，里面包括了完整的振荡器电路，电路中包含石英晶体元件，通电就能输出信号波形，一般被称为“有源晶振”，外观如图6.29所示。有源晶振的体积较大，引脚数量多，价格明显高于石英晶体元件。由于有源晶振使用简便，性能稳定，产品一致性较好，也得到了广泛应用。

石英晶体元件的电路符号和电抗频率特性曲线如图6.30所示。石英晶体元件的电抗X随电信号频率f变化而变化，分为三个区域，频率低于fs和高于fp为容性区，相当于电容，频率介于fs和fp之间为感性区，相当于电感。

石英晶体元件有两个谐振频率，一个是串联谐振频率fs，一个是并联谐振频率fp。在串联谐振频率点时，石英晶体的电抗为0，阻抗达到最小值，为纯阻性。在并联谐振频率点会发生类似机械共振的现象，石英晶体机械形变非常大，阻抗趋于无穷大。

图6.28　石英晶体元件

图6.29　有源晶振

图6.30　石英晶体元件符号和电抗频率特性

使用石英晶体元件时，有两种方法，一种是串联应用，工作在串联谐振频率，让石英晶体元件在电路中作为选频环节，石英晶体元件的选频性能非常好，品质因数Q可达104～106。另一种方法是并联应用，让石英晶体元件工作在fs～fp之间，当作大电感来用，这时候电路中还会有电容配合，石英晶体元件和电容共同构成LC选频环节和移相环节。(www.xing528.com)

石英晶体元件外壳上所标示的标称频率是并联谐振频率fp，这个频率是石英晶体元件在配有指定大小的电容情况下的并联谐振频率。

需要指出的是，fs和fp的差值非常小，通常可以忽略这个差值，也就是说，由于石英晶体元件的高频率选择性，只要振荡器电路中有石英晶体元件，则不管这个石英晶体元件是当作选频元件还是当作电感元件，可以直接得出该电路输出的振荡信号频率近似等于石英晶体的标称频率fp。

2.石英晶体振荡电路

石英晶体串联应用的电路如图6.31所示，在这个振荡电路中，将石英晶体换成耦合电容将不影响电路起振，也不影响电路维持振荡，石英晶体通过滤波限制其他频率的波形，使输出波形更加接近正弦波。图中L1和C3、C4、CT1构成选频网络，C6、C7和L2构成π型低通滤波电路，C2为旁路电容，C1和C5为耦合电容，RL为负载。

图6.31　石英晶体的串联应用

石英晶体并联应用的电路如图6.32所示，在电路中，石英晶体作为LC选频网络中的大电感与电容共同完成选频作用。在电路中，石英晶体和C3、C6构成的支路可以等效为一个电感，这个电感和C1、C2构成选频网络。C5为输出耦合电容，C4为旁路电容。

图6.32　石英晶体的并联应用

实际操作2：石英晶体振荡电路的仿真

（1）用Multisim软件按照图6.31所示绘制电路图。

（2）运行仿真，用示波器观察电路起振过程，用频率计数器测量电路输出信号频率。

（3）用Multisim软件按照图6.32所示绘制电路图。

（4）运行仿真，用示波器观察电路起振过程，用频率计数器测量电路输出信号频率。