标签: 晶振稳定

从智能手机、物联网设备到卫星系统，几乎所有现代通信设备都依赖于精确的信号同步与频率控制。其中，晶振是无线通信系统中的关键元件。本期，凯擎小妹将探讨晶振在无线通信中的重要性及其具体应用。 石英晶体在受到电压时会机械变形，同时当其被机械拉伸或压缩时也会产生电压。这种双向的效应使得晶体在某一特定频率下可以形成稳定的振荡信号，该频率称为其“谐振频率”。 无线通信应用 频率稳定性和精度： 无线通信设备需要在特定频率下发送和接收信号。如果频率偏移，会导致信号混淆、失真、无法通信。晶振的精度通常可达到百万分之一甚至更高，确保通信双方在相同频道下进行交流。 调制与解调： 在无线通信中，调制（如频率调制FM、相位调制PM）是将信息叠加到载波频率上的过程。晶振生成的载波频率直接决定了调制质量和通信距离。接收端的解调器同样依赖晶振来锁定并提取信息信号。 时钟同步与系统协调： 在复杂的无线网络系统，例如5G基站、GPS导航系统，多台设备需要进行高精度的时间同步。晶振为系统提供主时钟信号，确保整个网络中数据收发的节奏一致，防止数据冲突与延迟。 低功耗通信： 低功耗晶振在维持频率精度的同时，能耗极低，是便携设备理想的时钟源。晶振有如下低功耗晶振的选择： 低电压晶振1.2V，频率范围0.25MHz ~ 60MHz； 时钟振荡器32.768KHz； 温补振荡器低电流1.5μA @ +3.3V 32.768KHz。 具体应用 无线游戏手柄： 晶振提供稳定的时钟信号，确保手柄与游戏主机之间的快速、准确通信。通过维持稳定的频率，晶振减少了信号干扰，提高了游戏体验的流畅性。 无线电发射： 晶振用于产生精确的载波频率。它确保发射的无线电波在正确的频率上，从而避免与其他信号的冲突。

很多应用场景要求 精确的时间测量 和 频率控制 。原子钟和晶振是两种常见的计时设备。今天凯擎小妹聊一下它们的原理，及晶振的优势。 1. 原子钟 原子钟基于原子能级跃迁的原理工作。最常见的类型是铯原子钟，它利用铯-133原子的超精细能级跃迁来产生极其稳定的频率。原子钟的精度远高于晶振，通常达到10^-13秒/天，适用于需要极高时间精度的科学研究和导航系统。由于复杂的结构和高昂的制造成本，原子钟主要用于高端应用，如卫星导航、科学研究和国家时间标准。 2. 晶振 晶振利用石英晶体的压电效应。当施加电压时，石英晶体会发生机械振动。这种振动频率非常稳定，广泛用于电子设备中的时钟信号生成、频率稳定和时间基准。常见的晶振精度为0.5ppm, 1ppm, 5ppm, 10ppm, 20ppm, 30ppm等等。其中OCXO精度最高，最少可达到3ppb = 0.003ppm。 晶振的精度虽然不如原子钟，但可以满足大多数消费电子产品、通信设备和计算机系统的应用。 3. 晶振的优势 虽然原子钟的精度远高于晶振，在正常工作温度范围内，晶振的 频率稳定性 非常好。通过温度补偿TCXO或微机电系统MEMS技术，晶振的性能可以进一步提升，满足更高要求的应用。晶振的 生产成本 远低于原子钟。晶振通常 体积非常小 ，适合集成到各种电子设备中，尤其是在空间受限的应用场景，如智能手机、平板电脑和可穿戴设备。另外，晶振能够在各种环境条件下保持良好的性能，包括高温、低温、振动和电磁干扰等。

单片机可以正常运行的一个因素就是 晶振的稳定性 。在工作过程中，晶振可能会受到电磁干扰的影响，导致单片机发生故障，甚至出现死机的情况。今天，凯擎小妹将与大家探讨晶振在电磁干扰下对单片机的影响。 单片机 单片机是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）以及输入输出接口（I/O）的微型计算机。它们被广泛应用于从家用电器到工业自动化系统的各个领域。 单片机主要功能： 控制功能；数据处理；通信接口；实时操作。 晶振与电磁干扰 晶振利用压电效应产生稳定的时钟信号，为单片机提供必要的时序基准。电磁干扰是指外部电磁场对电子设备的正常工作产生的干扰。直接影响单片机的时序精度，导致其无法正常执行指令。 晶振受到电磁干扰： 频率漂移；相位噪声增加；信号失真... 单片机死机的原因 当晶振受到电磁干扰导致时钟信号不稳定时，单片机可能会出现以下问题： 程序计数器错误 → 程序执行异常 数据传输错误 → 影响外设通信和数据处理 看门狗定时器失效 → 系统无法自动复位 系统死机 → 无法继续执行任务 如何选择合适的晶振 为了防止电磁干扰对晶振的影响，以下是选择合适晶振的建议： 频率稳定性：选择具有高频率稳定性的晶振，以确保在各种环境条件下都能提供稳定的时钟信号。对于高精度应用，通常要求在±10ppm或更低。 抗干扰能力：选择具有良好抗干扰能力的晶振。扩频晶振通过扩频技术提供更好的抗干扰能力，适用于对电磁干扰敏感的应用场景。 封装类型：直插封装适合需要较强物理连接的应用，而贴片封装适合高密度和小型化设计。选择适合应用环境的封装类型可以提高晶振的稳定性和可靠性。 温度范围：确保晶振能够在设备的工作温度范围内正常工作，避免因温度变化导致的频率漂移。工业应用通常需要宽温度范围的晶振-40°C至+85°C或更宽。

在选购或者使用晶振时，我们经常会听到 频率准确度 和 频率稳定度 这两个概念。虽然两者都与晶振的频率变化相关，但它们的关注重点不同。 1. 频率准确度 频率准确度是指晶振的实际输出频率与其标称频率之间的偏差。通常用ppm来表示。数值越小，表示晶振的实际频率越接近理想值。对于要求精确计时或高精度通信的应用，频率准确度越高越好。如果误差过大，可能会导致数据同步错误、通信频率漂移，甚至系统故障。 1.1 影响准确度的因素 制造公差：即使是同一批次的晶振，也可能会有细微的加工误差。 初始调节误差：出厂校准时可能会有微小的误差。 温度变化：虽然25°C室温下的准确度较高，但温度变化会影响晶振频率。 电源电压变化：供电电压的波动可能会导致频率偏移。 1.2 规格书参数解读 假设8MHz的晶振， 调整频差 为±10ppm。这个晶振在25°C室温下，实际频率可能为： 8MHz±(10×10⁻⁶×8MHz) = 8MHz ± 80Hz 即7.999920MHz到8.000080 MHz 2. 频率稳定度 频率稳定度描述的是晶振的频率随时间、温度、电源电压、机械振动等因素变化的程度。它衡量的是在不同环境条件下，晶振频率的漂移情况。 2.1 影响的因素 温度变化：温度是影响频率稳定度的主要因素，不同晶振的温漂不同。 电源电压波动：电压变化会影响晶体的振荡频率。 老化：晶振的频率会随着时间逐渐变化，通常以“ppm/年”表示。 机械振动和冲击：外部振动或冲击可能导致晶振频率瞬时漂移。 2.2 规格书参数解读 假设10MHz的温补晶振(KT20)，当温度在-40~85°C之间变化时，它的频率最多偏离标称值±0.5ppm。这个晶振的频率变化为： 10MHz±(0.5×10⁻⁶× 10 MHz) = 10MHz ± 5 Hz 即9.999995 MHz到10.000005 MHz 凯擎小妹总结 频率准确度：出厂时的频率偏差，决定了初始的精确程度。 频率稳定度：随时间和环境变化的漂移，决定了长期使用的可靠性。 参数 频率准确度 频率稳定度 定义 出厂时的实际频率与标称值的偏差 频率随环境因素（温度、电压、时间等）变化的程度 单位 ppm、ppb、% ppm、ppb、Hz 影响因素 制造误差、初始校准、温度、电压 温度、电压、老化、机械振动 时间 相关 性 某一时刻的准确性 随时间或环境变化的稳定性 适用 场景 GPS、通信同步、测量仪器 高精度时钟、导航系统、实验室设备

晶振是电子设备中用于产生稳定时钟信号的关键元件，其短期稳定度直接影响设备的精度和可靠性。短期稳定度是指晶振在短时间内(通常为几秒到几分钟)频率波动的程度。 环境因素 温度变化：石英晶体的物理尺寸和振荡频率会随温度变化而变化，导致频率漂移。温度变化会影响晶体的热膨胀系数，从而影响振荡频率。 机械振动和冲击：机械振动和冲击会引起晶体的机械应力变化，导致频率波动。这在移动设备或工业环境中尤为明显。振动可能导致晶体的物理形状发生变化，从而影响其振荡频率。 电气因素 电源噪声：电源噪声是由电源的不稳定性或其他设备的干扰产生的。通过电源线路传导到晶振电路中，影响晶振稳定的频率输出。 负载变化：负载电容的变化会导致振荡频率的偏移。负载变化可能由于电路中其他元件的变化或外部连接的变化引起。 技术参数的影响 晶片切割: 常用的AT切割晶体在常用温度范围内具有较好的温度稳定性。不同的切割角度会导致不同的频率温度系数，从而影响短期稳定度。 等效串联电阻: ESR表示晶体在谐振频率下的电阻值。较高的ESR可能导致振荡器启动困难，并增加相位噪声，从而影响短期稳定度。 负载电容: 负载电容是指晶振在电路中工作的电容值。负载电容的变化会影响振荡频率的稳定性。设计时需要确保负载电容与晶振的标称值匹配，以减少频率偏移。 驱动电平: 驱动电平是指施加到晶振上的电压或电流。过高或过低的驱动电平都会影响晶振的稳定性。适当的驱动电平可以确保晶振在最佳状态下工作，减少频率波动。 相位噪声: 相位噪声是指振荡信号在频域中的噪声特性。低相位噪声意味着更好的短期稳定度。相位噪声受电路设计、电子元件选择和电源质量的影响。 提高短期稳定的方法 优化电路设计：使用低噪声电源和高质量元件减少电气干扰。 恒温和抗振动环境：采用恒温和抗振动环境来减少外界环境对晶振的影响。 高品质晶体：确保其切割和材料的精密性。 TCXO/OCXO：温度补偿晶振或KOAN恒温晶振，有效减小温度变化对频率的影响。