晶体的原理与检测

晶体谐振器简称晶体或晶振，它是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件。晶体是时钟电路中最重要的器件，它的作用是产生单片机向被控电路提供的基准频率。它就像一个标尺，若其工作频率不稳定就会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于制造工艺不断提高，现在晶体的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都得到大幅度提高，故障率大大降低，但在选用时仍要注意选择质量好的晶体。

一、晶体的识别

1．晶体的构成

晶体是将一块石英晶体按一种特殊工艺切成薄晶片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在晶片的两面涂上银层，然后夹在（或焊在）两个金属引脚之间，再用金属、陶瓷等外壳密封，其实物外形和电路符号如下图所示。

2．晶体的特性

若在晶片的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形；反之，若在晶片的两侧施加机械压力，在晶片相应的方向上就会产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。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小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它与LC 回路的谐振现象十分相似。其谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

3．晶体的工作原理

晶体的等效电路如下图所示。

晶片和金属板构成的电容称为静电电容C1，它的容量大小与晶片、电极面积有关，一般为几皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可等效为电感L1，一般L1 的值为几十毫亨到几百毫亨。而晶片的弹性可用电容C2 来表示，C2 的值很小，一般只有0.000 2～0.1pF。晶片振动时因摩擦而产生的损耗用R1 来表示，它的值约为100Ω。由于L1很大，而C2 和R1很小，所以该振荡回路的品质因数Q值很高，为1000～10000。该振荡回路有两个谐振频率，即当 L1、C2、R1 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R1），串联谐振频率用f s 表示，石英晶体对于串联谐振频率f s 呈纯阻性；当频率高于f s 时，L1、C2、R1 支路呈感性，可与电容C1 发生并联谐振，其并联频率用f d 表示。