标签: 晶振频率

高频晶振适合需要快速处理和高精度的场合，而低频晶振则通常用于低功耗和抗干扰能力较强的设备。今天凯擎小妹带您了解一下高频和低频晶振的优势，以及选择频率需要考虑的因素。如果您对晶振参数的选型存在疑问，欢迎垂询。 高频晶振的优势 1. 处理速度快： 高频晶振产生快速的时钟信号，提升设备的处理能力。因此适合需要快速计算和瞬时响应的应用。高速通信协议如以太网、Wi-Fi等，要求高频时钟以支持快速的数据传输。图像处理和视频编解码需要高性能处理器驱动以实现实时处理。 2. 高精度：高频晶振提供更高的时钟精度，减少时钟抖动和误差。精确的时间同步需求如GPS定位。音频和视频同步需要高精度的时钟源确保录制和播放的同步。 3. 设计灵活： 高频晶振可以通过分频器实现多种频率需求，提供设计上的灵活性。这使开发者能在单一设计中支持多个频率要求的组件。 低频晶振的优势 1. 功耗低：低频晶振能耗较低，适合电池驱动的设备，特别是需要长期待机模式的应用。便携式电子设备如手表和手持式健康监测仪。传感器网络和物联网设备通常需要低功耗设计以延长电池寿命。 2. 抗干扰能力强：低频信号通常不易受到电磁干扰，提升设备的稳定性和可靠性。在工厂环境中的工业设备，可以更好地防止复杂环境中的电磁噪声。远程监控和安全系统，使用低频晶振改善可靠性。 3.设计简单：低频无源晶振通常涉及较简单的电路布局和PCB设计，降低了阻抗匹配和电磁兼容性难度。 选择晶振频率的原则 1. 应用场合： 在多媒体处理、实时数据分析、以及通信设备的应用中，高频时钟信号可以提高处理器的性能和响应速度。低频晶振可以满足简单的时间管理应用。 2. 评估功耗与热管理： 选择低频晶振可以减少能耗，延长设备的电池寿命，适用于便携式设备和长期待机系统。高频晶振可能增加热输出，需在设计中考虑有效的散热措施。 3. 电磁兼容性：低频晶振在高电磁干扰的环境下具有较强的抗干扰能力，适合工业设备和复杂电磁环境中的应用。而在需要高速数据传输的场合，使用高频晶振时需通过精心设计PCB和采取屏蔽措施以减少EMI影响。 4. 电路设计复杂度与扩展性：高频设计要求有更复杂的PCB布局，精准的阻抗匹配与多层板考虑是关键。低频设计较为简单，适合预算有限的小型设备。通过分频器和锁相环，可以支持多频率的需求设计。 5. 成本与市场供货： 高频设计可能增加设计复杂性及制造成本，而低频设计则在成本控制上更有优势。另外， 32.768kHz 、 8MHz 和16MHz等晶振频率为常见频率，能够降低采购风险及成本。

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。

理想情况下，晶振应在基频或泛音模式下稳定工作。而在实际应用中，寄生振荡(Spur)可能会干扰主频信号导致主频发生偏移，有以下几点影响： 1. 频率不稳定：主频信号受到干扰后，频率漂移 2. 信号失真：输出波形失真并出现多频成分 3. 设备性能下降：导致电子系统无法正常运行或发生误操作 4. 降低信噪比：寄生振荡会引入额外噪声，从而影响信号质量。 寄生振荡的产生可能由以下因素引起：晶片杂质降低了晶振的Q值，影响频率的稳定性；外部电磁干扰或其他设备产生的辐射会影响晶振的正常运行，导致信号失真；此外，电路中的热噪声或其他信号杂质也可能激发低幅值的寄生频率，对系统性能造成干扰。 S&A250B可以精准的分析频率的稳定性。寄生频率的测试参数如下： 1. SPFL: 负载寄生振荡频率(Load Frequency of Spur)在特定负载条件下测的寄生频率。用于评估晶振在负载环境中的稳定性。 2. SPFR: 串联谐振寄生振荡频率(Frequency of Spur)测量晶振在串联谐振模式下可能出现的寄生频率。还能计算主频与寄生频率之间的差值，帮助发现频率干扰问题。 3. SPRL: 最大负载谐振寄生振荡阻抗(Max Spur Resistance at Load Frequency)表示在负载频率下测量到的最大寄生振荡阻抗。更高的阻抗意味着晶振在该频率下更为稳定。 4. SPRR (SpurR/RR):寄生振荡阻抗与主振荡阻抗之间的比值。比值越小，主频信号受寄生干扰的风险越小。 5. SPUR (Min SpurR):测量在特定频率范围内的最小寄生振荡阻抗，帮助检测晶振设计中的潜在问题。