晶体振荡器电路和工作原理

晶体振荡器电路和工作原理

        晶体振荡器是一种电子振荡器电路，用于压电材料振动晶体的机械共振；它将创建给定频率的电信号，该频率通常用于提供稳定的时钟信号，例如：手表用于数字集成电路中以提供稳定的时钟信号，还用于稳定无线电发射器和接收器的频率。石英晶体主要用于射频（RF）振荡器。石英晶体是最常见的压电谐振器类型，在振荡器电路中我们使用它们，因此它被称为晶体振荡器。

        晶体振荡器电路设计必须提供负载电容；使用的振荡器电子电路有不同类型，分别是：线性振荡器–Hartley振荡器，相移振荡器，Armstrong振荡器，Clapp振荡器，Colpitts振荡器。张弛振荡器–罗耶振荡器，环形振荡器，多谐振荡器和压控振荡器（VCO）。接下来，我们将详细讨论晶体振荡器的工作原理和应用。

什么是石英晶体？

        石英晶体具有非常重要的特性，称为压电效应。当在晶体表面上施加机械压力时，与机械压力成比例的电压出现在晶体上。该电压会导致晶体失真。失真的量将与施加的电压成比例，并且与施加到晶体上的交流电压成正比，从而导致晶体以其固有频率振动。

石英晶体电路结构图

        石英晶体电路结构图表示压电晶体谐振器的电子符号，以及由电阻器，电感器和电容器组成的电子振荡器中的石英晶体

晶体振荡器-图1

        晶体振荡器-图1是一个20psc的新型16MHz石英晶体振荡器，它是一种以16MHz频率工作的晶体振荡器。

晶体振荡器

        通常，在晶体振荡器电路的构造中使用双极型晶体管或FET。这是因为运算放大器可以用于低于100KHz的不同低频振荡器电路中，但是运算放大器没有工作带宽。在与高于1MHz的晶体匹配的更高频率下，这将是一个问题。为了克服这个问题，设计了Colpitts晶体振荡器。它将在更高的频率下工作。在该振荡器中，提供反馈振荡的LC振荡电路已由石英晶体代替。

晶体振荡器电路图

晶体振荡器工作原理

        晶体振荡器电路通常根据逆压电效应原理工作。施加的电场将在某些材料上产生机械变形。因此，它利用了由压电材料制成的振动晶体的机械共振来产生特定频率的电信号。

        通常，石英晶体振荡器是高度稳定的，由良好的品质因数（Q）组成，它们的尺寸小且与经济相关。因此，与其他谐振器（例如LC电路，转叉）相比，石英晶体振荡器电路更为优越。通常，在微处理器和微控制器中，我们使用8MHz晶体振荡器。等效电路还描述了晶体的晶体作用。只看上面显示的等效电路图。电路中使用的基本组件，电感L代表晶体质量，电容C2代表顺应性，C1代表由于晶体的机械成型而形成的电容，电阻R代表晶体的内部结构摩擦，石英晶体振荡器电路该图包括两个谐振，例如串联和并联谐振，即两个谐振频率。

晶体振荡器工作示意图

        当电容C1产生的电抗与电感L产生的电抗相等且相反时，就会发生串联谐振。fr和fp分别代表串联和并联谐振频率，可以通过使用来确定'fr'和'fp'的值。方程式如上图所示。晶体振荡器工作示意图描述了等效电路，谐振频率的曲线图，谐振频率的公式。

晶体振荡器的用途

        通常，我们知道，在微处理器和微控制器的设计中，为了提供时钟信号而使用了晶体振荡器。例如，让我们考虑8051微控制器，在这个特定的控制器中，一个外部晶体振荡器电路将以必不可少的12MHz工作，即使该8051微控制器（基于型号）能够在40MHz（最大）下工作也必须提供12MHz在大多数情况下，因为一个机器周期8051需要12个时钟周期，所以要给出1MHz（以12MHz时钟为准）至.33MHz（以最大40MHz时钟为准）的有效周期速率。这种特定的晶体振荡器的周期率为1MHz到3.33MHz，用于生成所有内部操作同步所需的时钟脉冲。