易错十四 石英晶体振荡器《电子技术基础与技能》四川省（对口招生）电子信息类 易错题精讲

四川省（对口招生）《电子技术基础与技能》 易错题精讲 易错点十四 石英晶体振荡器 例1 石英晶体振荡器的最大优点是 ( ) A.输出波形好 B.频率调整方便 C.输出频率低 D.频率稳定度高 【错解】B 【错因】对石英晶体振荡器特点未掌握。 【正解】D 【解析】石英晶体振荡器具有高稳定性、高精度、低噪声、低失真等多重优点。 【避错攻略】 一、基本概念 石英晶体是一种各向异性的二氧化硅单晶材料，经过切割、研磨、镀膜、封装后形成晶振谐振体，可将机械能与电能相互转换，实现稳定的电磁振荡。 2、 核心工作原理——压电效应 1. 正压电效应 当石英晶体受到机械压力或拉力发生形变时，晶体内部会产生极化现象，在两个对应表面产生等量异种电荷，外力消失后电荷随之消失，机械能转化为电能。 2. 逆压电效应 当在石英晶体两极施加交变电压时，晶体会产生周期性的机械伸缩振动，电能转化为机械能。 3. 谐振振荡原理 对石英晶体施加交变电压后，晶体产生机械振动，同时通过压电效应反向产生交变电场。当外加交变电压的频率与晶体固有机械谐振频率一致时，振动幅度最大，电路产生最强的电信号，形成稳定的谐振振荡。晶体的固有频率由自身切割方式、尺寸、厚度决定，物理特性极其稳定，因此振荡频率稳定性极高。 三、石英晶体等效电路与频率特性 1. 等效电路模型 石英晶体谐振器特性等效电路 石英晶体谐振器频率特性 石英晶体可等效为串联RLC谐振电路+并联电容，分为动态支路和静态支路： 动态支路（L、C、R串联）：模拟晶体的机械振动特性。等效电感L极大（几亨~几百亨），等效电容C极小（10⁻⁴~10⁻¹pF），等效电阻R很小（几十~几百欧），代表振动损耗。 静态电容C₀：晶体两极镀膜、封装引脚形成的寄生并联电容，数值一般为几pF~几十pF。 2. 两个关键谐振频率 （1）串联谐振频率 fs 动态支路L、C发生串联谐振的频率，此时晶体等效阻抗最小（纯电阻性），振荡频率固定、损耗最低。 公式： （2）并联谐振频率 fp 动态支路与静态电容C₀发生并联谐振的频率，此时晶体等效阻抗最大（纯电阻性）。 公式： 频率关系 由于C≪C₀，fs与fp数值极其接近，频带极窄，这是晶振频率选择性极好的核心原因。晶体正常工作时，振荡频率严格锁定在fs~fp之间。 3. 阻抗特性 频率＜fs：晶体呈容性； 频率=fs：晶体呈纯阻性（串联谐振）； fs＜频率＜fp：晶体呈感性（晶振电路主要工作区间）； 频率=fp：晶体呈纯阻性（并联谐振）； 频率＞fp：晶体呈容性。 四、常用晶振振荡电路分类 根据晶体在电路中的工作状态，分为两大类，均满足正弦波振荡的相位平衡条件。 1. 并联型晶振电路 并联型石英晶体振荡器原理电路 并联型石英晶体振荡器交流等效电路 最常用的晶振电路，晶体工作在感性区间，等效为电感，与外接电容构成电容三点式振荡电路。 特点：电路结构简单、稳定性高、起振容易、波形质量好； 适用场景：绝大多数数字电路、单片机、通信设备时钟； 匹配参数：外接电容为负载电容，需与晶振参数匹配，否则频率偏移。 2. 串联型晶振电路 串联型石英晶体振荡器 晶体工作在串联谐振频率fs，等效为纯电阻、阻抗最小，正反馈强度最大，满足振荡条件。 特点：频率精准度极高、损耗极小； 适用场景：高精度频率基准、精密仪器、通信基站。 1.（判断题）石英晶体振荡器频率稳定度很高，通常可分为并联谐振型和串联谐振型两种。（ ） 【答案】√ 【解析】在实际应用中，石英晶体振荡器可分为两类。一类为并联型，即石英晶体工作于f。和fp之间，起电感作用；另一类为串联型，石英晶体工作于串联谐振频率f。时，其阻抗最小，在振荡电路中起正反馈网络作用。 2.（判断题）在串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。 ( ) 【答案】× 【解析】在串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体工作在串联谐振频率（ ）上，此时其等效阻抗最小，呈纯电阻性，相当于一个短路线（或高选择性的电阻），而不是电感。只有在并联型振荡电路中，晶体才工作在串联谐振与并联谐振之间的感性区，等效为电感。 3.在串联型晶体振荡器中，晶体在电路中的作用等效于 ( ) A.电容元件 B.电感元件 C.电阻元件 D.短路线 【答案】D 【解析】在串联型晶体振荡器中，晶体工作在串联谐振点，阻抗极小，近似为短路线，用于在特定频率下提供正反馈通路。 1.在并联型晶体振荡器中，晶体在电路中的作用等效于 ( ) A.电容元件 B.电感元件 C.电阻元件 D.短路线 【答案】B 【解析】在并联型晶体振荡器中，晶体工作在串联谐振频率 与并联谐振频率 之间的感性区，此时其等效阻抗呈感性，在电路中起到电感的作用，与外部电容构成并联谐振回路。 2.设计一个振荡频率可调的高频高稳定度的振荡器，可采用 ( ) A.RC振荡 B.石英晶体振荡器 C.互感耦合振荡器 D.并联改进型电容三点式振荡器 【答案】B 【解析】A. RC 振荡：频率稳定度差，多用于低频；B .石英晶体振荡器：固有频率稳定度极高，适合高频、高稳定场景；C. 互感耦合 LC 振荡：稳定度一般；D .改进型电容三点式（克拉泼 / 西勒）稳定度优于普通 LC，但远不如晶振。 3.（判断题）石英晶体振荡器最大的优点是频率稳定度高。 ( ) 【答案】√ 【解析】石英晶体物理谐振特性优良，频率稳定度远高于 RC、LC 振荡器，这是它最核心优势。 4.（判断题）石英晶体振荡器只有信号频率在和之间才显感性，在感性区域，它振荡频率的稳定性极高。( ) 【答案】√ 【解析】（串联谐振频率）~（并联谐振频率）极窄区间内晶体呈感性；该区间斜率极大，微小频率变化就会带来巨大电抗变化，因此振荡频率稳定性能极强。 5.石英晶体振荡器有串联谐振和并联谐振两种频率，分别用字母 表示。（ ） A. B. C. D. 【答案】C 【解析】串联谐振频率：当石英晶体内部等效的L、C、R支路发生串联谐振时，其阻抗最小，呈纯阻性。并联谐振频率：当频率高于时，L、C、R支路呈感性，与晶体两端的静电电容发生并联谐振，此时阻抗最大，也呈纯阻性。由于等效电容，因此与非常接近，但始终满足。 6.（判断题）石英晶体的频率特性是凡信号频率低于串联谐振频率或高于并联谐振频率时，石英晶体均显感性。 【答案】× 【解析】当频率低于fs时，晶体呈容性；当频率在与之间时，晶体呈感性；当频率 高于时，晶体又呈容性。因此，题干描述“低于fo或高于时呈感性”是错误的，实际上在这两个区域晶体呈容性。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $