什么是谐振器？工作原理(lǐ)、类型、与振荡器的比较

2021-06-26

什么是谐振器？工作原理(lǐ)、类型、与振荡器的比较

I. 什么是谐振器？

谐振器是指产生谐振频率的電(diàn)子元件。

谐振器是指产生谐振频率的電(diàn)子元件。它是典型的无源器件，需要外围電(diàn)路驱动其工作产生时钟输出。

晶體(tǐ)谐振器通常分(fēn)為(wèi)石英晶體(tǐ)谐振器和陶瓷谐振器。产生频率功能(néng)具有(yǒu)稳定性好、抗干扰性能(néng)好等特点，广泛应用(yòng)于各种電(diàn)子产品中。

石英晶體(tǐ)谐振器的频率精度高于陶瓷谐振器，但成本也高于陶瓷谐振器。谐振器主要起频率控制的作用(yòng)，所有(yǒu)涉及频率发射和接收的電(diàn)子产品都需要谐振器。谐振器的类型按其外观可(kě)分(fēn)為(wèi)直插式和贴片式。

二、谐振器的工作原理(lǐ)

2.1 谐振器的结构

石英晶體(tǐ)谐振器是利用(yòng)石英晶體(tǐ)（二氧化硅的晶體(tǐ)）的压電(diàn)效应制成的一种谐振器件。

其基本组成可(kě)以粗略地描述為(wèi)：从一块石英晶體(tǐ)上以一定的方位角切出薄片（简称晶片，可(kě)以是正方形、長(cháng)方形或圆形等），并镀上银层為(wèi)其两个对应表面上的電(diàn)极。将每个電(diàn)极上的引線(xiàn)焊接到引脚上，并添加封装外壳，形成石英晶體(tǐ)谐振器。其产品一般采用(yòng)金属外壳包装，也有(yǒu)玻璃、陶瓷或塑料包装。

2.2 压電(diàn)效应

如果在石英晶體(tǐ)的两个電(diàn)极上施加電(diàn)场，晶片将发生机械变形。反之，如果对晶片的两侧施加机械压力，则会在晶片的相应方向上产生電(diàn)场。这种物(wù)理(lǐ)现象称為(wèi)压電(diàn)效应。

如果对晶片的两个极施加交流電(diàn)压，晶片会产生机械振动，同时晶片的机械振动会产生交变電(diàn)场。一般情况下，晶片的机械振动幅值和交变電(diàn)场的幅值很(hěn)小(xiǎo)，但当外加交流電(diàn)压的频率為(wèi)一定值时，幅值明显增大，遠(yuǎn)大于其他(tā)频率的振幅。这种现象称為(wèi)压電(diàn)谐振，与LC電(diàn)路的谐振现象非常相似。其谐振频率与晶片的切割方法、几何形状和尺寸有(yǒu)关。

三、谐振器类型

石英晶體(tǐ)谐振器由具有(yǒu)极高品质因数的石英晶體(tǐ)谐振器（即谐振器和振荡電(diàn)路）组成。晶體(tǐ)的质量、切割方向、晶體(tǐ)振荡器的结构和電(diàn)路形式等，共同决定了谐振器的性能(néng)。

國(guó)际電(diàn)工委员会（IEC）将石英晶體(tǐ)谐振器分(fēn)為(wèi)4类：普通晶體(tǐ)振荡器（SPXO）、压控晶體(tǐ)谐振器（VCXO）、温度补偿晶體(tǐ)振荡器（TCXO）和恒温控制晶體(tǐ)振荡器（OCXO）。数字补偿晶體(tǐ)损耗振荡 (DCXO) 目前正在开发中。

(1)普通晶體(tǐ)谐振器(SPXO)可(kě)产生10-5～10-4量级的频率精度，标准频率為(wèi)100MHZ，频率稳定度為(wèi)±100ppm。SPXO 不采用(yòng)任何温度和频率补偿措施，价格低廉，通常用(yòng)作微处理(lǐ)器的时钟器件。封装尺寸范围為(wèi)21×14×6mm和5×3.2×1.5mm。

(2)压控晶體(tǐ)谐振器(VCXO)精度在10-6到10-5量级，频率范围1到30MHz。低容差谐振器的频率稳定性為(wèi)±50ppm。通常用(yòng)于锁相环。封装尺寸為(wèi)14×10×3mm。

(3)温度补偿晶體(tǐ)谐振器(TCXO)采用(yòng)温敏器件进行温度和频率补偿，频率精度10-7～10-6，频率范围1-60MHz，频率稳定度±1 ～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm到11.4×9.6×3.9mm。通常用(yòng)于手持電(diàn)话、蜂窝電(diàn)话、双向无線(xiàn)通信设备等。

(4)恒温控制晶體(tǐ)谐振器(OCXO)将晶體(tǐ)和振荡電(diàn)路置于恒温器中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO 的频率精度在 10-7～10-8 量级，对于一些特殊应用(yòng)甚至更高。频率稳定性是四种谐振器中最高的。

四、谐振器主要参数

晶振的主要参数有(yǒu)标称频率、负载電(diàn)容、频率精度、频率稳定性等，不同的晶振标称频率不同，大部分(fēn)标称频率都标在晶振外壳上。

比如常见的普通晶振的标称频率有(yǒu)48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，有(yǒu)特殊要求的晶振频率可(kě)以达到1000MHz以上，也有(yǒu)非标称频率的，如CRB、ZTB、Ja等。

负载電(diàn)容是指晶體(tǐ)振荡器的两条引線(xiàn)所连接的IC块内外所有(yǒu)有(yǒu)效電(diàn)容的总和，可(kě)以看作是晶體(tǐ)振荡器在電(diàn)路中的串联電(diàn)容。不同的负载频率决定了谐振器不同的振荡频率。对于标称频率相同的晶振，负载電(diàn)容可(kě)能(néng)不一样。

因為(wèi)石英晶體(tǐ)谐振器有(yǒu)两种谐振频率，一种是串联谐振晶體(tǐ)振荡器的低负载電(diàn)容晶體(tǐ)，另一种是并联谐振晶體(tǐ)的高负载電(diàn)容晶體(tǐ)。因此，在调换标称频率相同的晶振时，负载電(diàn)容必须相同，不能(néng)贸然调换，否则会造成電(diàn)器工作不正常。

频率精度和频率稳定性：由于普通晶振的基本性能(néng)满足一般電(diàn)器的要求，所以高端设备需要一定的频率精度和频率稳定性。频率精度因幅度而异。稳定性从 ±1 到 ±100ppm 不等。根据具體(tǐ)设备需求选择合适的晶振，如通信网络、无線(xiàn)数据传输等系统需要更高要求的石英晶振。

因此，晶振的参数决定了晶振的质量和性能(néng)。在实际应用(yòng)中，应根据具體(tǐ)要求选择合适的晶振。由于不同性能(néng)的晶振价格不同，要求越高，价格也就越贵。一般选择满足要求即可(kě)。

五、谐振器和振荡器有(yǒu)什么區(qū)别？

5.1 谐振器与振荡器的一般區(qū)别

所谓谐振器不仅包括石英晶體(tǐ)谐振器，还包括陶瓷谐振器、LC谐振器等。晶體(tǐ)振荡器是晶體(tǐ)振荡器的简称。它是由晶體(tǐ)谐振器和電(diàn)路组合而成的振荡器元件，特别是由石英晶體(tǐ)制成的振荡器元件。

所以完整的命名应该是“Quartz Crystal Resonator”和“Quartz Crystal Oscillator”。另外，谐振器是无源器件，需要外围電(diàn)路驱动其工作并产生时钟输出。振荡器是有(yǒu)源器件，自带内置電(diàn)路，提供更稳定的时钟输出。

晶體(tǐ)振荡器是一种以晶體(tǐ)為(wèi)选频元件的振荡電(diàn)路。与其他(tā)振荡電(diàn)路相比，具有(yǒu)选频特性好（Q值高）和高频稳定性等优点。

谐振器和振荡器的根本區(qū)别是有(yǒu)源和无源，也可(kě)以说是有(yǒu)源和无源。振荡器比谐振器多(duō)一个控制電(diàn)路。

晶體(tǐ)谐振器有(yǒu)一些等效参数，不同的使用(yòng)环境可(kě)能(néng)有(yǒu)不同的要求。例如，有(yǒu)些用(yòng)户需要负载電(diàn)容C0/C1。选择时要考虑环境温度、负载電(diàn)容、频率精度，甚至 DLD 要求。这就需要对外围振荡電(diàn)路的参数进行一些控制，才能(néng)输出稳定的频率。

晶體(tǐ)振荡器避免了这些麻烦。振荡電(diàn)路已由厂家完成，只需要稳定的電(diàn)源即可(kě)有(yǒu)稳定的输出。此外，振荡器还有(yǒu)一些辅助功能(néng)，如压控晶振（VCXO）、温补晶振（TCXO）、恒温晶振（OCXO）等，这些振荡器可(kě)以满足一些较难的精密控制直接使用(yòng)谐振器时实现。OCXO的频率精度可(kě)以达到E-9级。

其次，晶體(tǐ)振荡器由晶體(tǐ)谐振器制成，以便在其他(tā)部件上用(yòng)作信号载體(tǐ)或定时。以满足所生产产品的要求。

振荡器只是一个频率源，通常用(yòng)于锁相环。详细地说，它是一种无需外部信号激励即可(kě)将直流電(diàn)源转换為(wèi)交流電(diàn)源的设备。一般分(fēn)為(wèi)正反馈和负阻两种。

所谓“振荡”，其意為(wèi)交换，振荡器包括从无振荡到振荡的过程和功能(néng)。它可(kě)以完成从直流電(diàn)源到交流電(diàn)源的转换。这种设备可(kě)以称為(wèi)“振荡器”。

任何通信或電(diàn)子系统都应该在某个给定点具有(yǒu)正常范围内的電(diàn)平值。调整到正常電(diàn)平值的组件是放大器和衰减器。電(diàn)平过低的点是引入噪声的点，電(diàn)平过高会造成过载，使放大元件出现不能(néng)容忍的非線(xiàn)性失真。衰减器的作用(yòng)就不难理(lǐ)解了。衰减器有(yǒu)两种类型：固定的和可(kě)变的。

5.2 谐振器和振荡器的优缺点分(fēn)析

 

本节我们来分(fēn)析晶體(tǐ)谐振器和陶瓷谐振器、谐振器和振荡器的优缺点。

(1)晶體(tǐ)谐振器和陶瓷谐振器的优缺点

晶體(tǐ)谐振器的介绍上面已经讲过了，这里不再赘述。让我们来看看陶瓷谐振器。

陶瓷谐振器是一种压電(diàn)陶瓷器件，用(yòng)于以特定频率振荡。用(yòng)于制造此类设备的材料会在生产过程中激发共振特性。

由于这种谐振特性在生产误差范围内，其品质因数遠(yuǎn)低于石英，因此陶瓷谐振器所能(néng)提供的频率稳定性不如晶體(tǐ)谐振器。一般陶瓷谐振器用(yòng)于成本低，性能(néng)要求不高的场合。

优点：与晶體(tǐ)相比，陶瓷谐振器的成本仅為(wèi)晶體(tǐ)的一半，體(tǐ)积更小(xiǎo)。

缺点：与晶體(tǐ)相比，它缺乏频率和温度稳定性。它的准确度很(hěn)差，大概在 1% 到 0.1% 之间。

(2)谐振器和振荡器的优缺点

振荡器是一种将直流電(diàn)转换成具有(yǒu)一定频率的交流電(diàn)的能(néng)量转换装置。由它构成的電(diàn)路称為(wèi)振荡電(diàn)路。振荡器是有(yǒu)源器件。振荡器比谐振器多(duō)一个控制電(diàn)路。

振荡器是用(yòng)于产生重复電(diàn)子信号（通常是正弦波或方波）的電(diàn)子元件。由它形成的電(diàn)路称為(wèi)振荡電(diàn)路。能(néng)将直流電(diàn)转换成具有(yǒu)一定频率的交流電(diàn)信号的電(diàn)子電(diàn)路或装置。

有(yǒu)很(hěn)多(duō)类型。按振荡激励方式可(kě)分(fēn)為(wèi)自激振荡器和他(tā)激振荡器；按電(diàn)路结构可(kě)分(fēn)為(wèi)阻容振荡器、電(diàn)感電(diàn)容振荡器、晶體(tǐ)振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可(kě)分(fēn)為(wèi)正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛应用(yòng)于電(diàn)子工业、医疗、科(kē)研等领域。

优点：晶振信号质量好，比较稳定，接線(xiàn)方法也比较简单（主要是做好電(diàn)源滤波，通常采用(yòng)電(diàn)容和電(diàn)感组成的PI滤波网络，输出端使用(yòng)小(xiǎo)阻值電(diàn)阻对信号进行滤波。可(kě)以），不需要复杂的配置電(diàn)路。对于时序要求比较敏感的应用(yòng)，晶振的性能(néng)比较好。

缺点：与晶體(tǐ)谐振器相比，晶體(tǐ)振荡器的缺点是其信号電(diàn)平是固定的，需要选择合适的输出電(diàn)平。它不太灵活且昂贵。此外，石英振荡器需要很(hěn)長(cháng)时间才能(néng)启动。

體(tǐ)积：与无源晶體(tǐ)相比，晶體(tǐ)振荡器通常體(tǐ)积更大。随着技术的进步，现在有(yǒu)些晶體(tǐ)振荡器是表面贴装的，體(tǐ)积可(kě)以与晶體(tǐ)谐振器相媲美。

总结：陶瓷谐振器的典型初始精度在0.5%到0.1%的范围内，老化或温度变化引起的漂移可(kě)能(néng)会改变这个精度范围。

廉价陶瓷谐振器的公差仅為(wèi)±1.1%，高端汽車(chē)的精度分(fēn)别為(wèi)±0.25%和±0.3%。未来的应用(yòng)在于工作温度為(wèi)-40°C至+125°C的汽車(chē)CAN（控制器局域网）总線(xiàn)应用(yòng)。频率范围為(wèi) 200 kHz 至 1 GHz 左右的低成本陶瓷谐振器适用(yòng)于对时序要求不严格的嵌入式系统。

陶瓷器件启动速度更快，通常比石英器件小(xiǎo)。它们也更能(néng)承受冲击和振动。

常问问题

1. 谐振器有(yǒu)什么作用(yòng)？

谐振器在生活中的唯一目的是在車(chē)辆到达消声器之前改变发动机的噪音，以最终降低分(fēn)贝。

2. 電(diàn)子學(xué)中的谐振器是什么？

谐振器是表现出谐振或谐振行為(wèi)的设备或系统。... 谐振器用(yòng)于生成特定频率的波或从信号中选择特定频率。乐器使用(yòng)产生特定音调的声波的声學(xué)谐振器。

3. 移除谐振器有(yǒu)什么作用(yòng)？

谐振器删除会改变車(chē)辆产生的脉冲通过排气系统的方式。将此设备视為(wèi)一个大型回声室。它采用(yòng)这些脉冲，优化它们的频率，这使得实现更好的发電(diàn)成為(wèi)可(kě)能(néng)。

4.消声器删除或谐振器删除哪个更好？

如果您想要一辆更响亮、更轻的車(chē)辆，最好删除消声器。如果您追求良好的声音和更大的功率，那么谐振器删除是您要走的路。... 毕竟，谐振器删除和消声器删除之间的區(qū)别并不那么重要。

5. 晶體(tǐ)和谐振器有(yǒu)什么區(qū)别？

陶瓷谐振器利用(yòng)電(diàn)子元件内的频率，但与频率容差為(wèi) 10~30 PPM 的晶體(tǐ)不同，陶瓷谐振器具有(yǒu) 0.5% 或 5,000 PPM 的频率容差，通常用(yòng)于绝对稳定性不重要的微处理(lǐ)器应用(yòng)中.

6. 是否需要进气谐振器？

进气谐振器是汽車(chē)发动机进气系统的关键部件。它使发动机运行更安静，也更高效。... 进气谐振器是汽車(chē)发动机进气系统的关键部件。它使发动机运行更安静，也更高效。

7. 谐振器会限制气流吗？

Magnaflow谐振器根本不限制流动，就像添加一段直管一样，因為(wèi)它们是直通的。magnaflow 的设计没有(yǒu)使用(yòng)腔室，而是使用(yòng)一个被吸音材料包围的穿孔直管。

8. 噪声谐振器的最佳频率是多(duō)少？

谐振器设计為(wèi)在发动机发出最大噪音的频率范围内工作最佳；但即使频率不是谐振器所调谐到的频率，它仍然会产生一些破坏性干扰。

9. 谐振器能(néng)让我的排气安静吗？

消音器和谐振器协同工作，使汽車(chē)的排气安静并减少烦人的声音。虽然它们的功能(néng)不同，但它们都有(yǒu)助于改善您的排气音。也可(kě)以删除消音器和谐振器，以获得更响亮、更具侵略性的排气声。

10. 移除谐振器会增加马力吗？

通常；排气系统越安静，它从您的发动机中窃取的马力就越多(duō)。...移除所有(yǒu)消音器和谐振器将提供稍微更大的增加，但请记住，随着限制的取消，排气声会变得更大。