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什么是諧振器？工作原理、類型、與振蕩器的比較
什么是諧振器？工作原理、類型、與振蕩器的比較
I. 什么是諧振器？
諧振器是指產(chǎn)生諧振頻率的電子元件。
諧振器是指產(chǎn)生諧振頻率的電子元件。它是典型的無源器件，需要外圍電路驅(qū)動(dòng)其工作產(chǎn)生時(shí)鐘輸出。
晶體諧振器通常分為石英晶體諧振器和陶瓷諧振器。產(chǎn)生頻率功能具有穩(wěn)定性好、抗干擾性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。
石英晶體諧振器的頻率精度高于陶瓷諧振器，但成本也高于陶瓷諧振器。諧振器主要起頻率控制的作用，所有涉及頻率發(fā)射和接收的電子產(chǎn)品都需要諧振器。諧振器的類型按其外觀可分為直插式和貼片式。
二、諧振器的工作原理
2.1 諧振器的結(jié)構(gòu)
石英晶體諧振器是利用石英晶體（二氧化硅的晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。
其基本組成可以粗略地描述為：從一塊石英晶體上以一定的方位角切出薄片（簡稱晶片，可以是正方形、長方形或圓形等），并鍍上銀層為其兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上的電極。將每個(gè)電極上的引線焊接到引腳上，并添加封裝外殼，形成石英晶體諧振器。其產(chǎn)品一般采用金屬外殼包裝，也有玻璃、陶瓷或塑料包裝。
2.2 壓電效應(yīng)
如果在石英晶體的兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)，晶片將發(fā)生機(jī)械變形。反之，如果對(duì)晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則會(huì)在晶片的相應(yīng)方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。
如果對(duì)晶片的兩個(gè)極施加交流電壓，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般情況下，晶片的機(jī)械振動(dòng)幅值和交變電場(chǎng)的幅值很小，但當(dāng)外加交流電壓的頻率為一定值時(shí)，幅值明顯增大，遠(yuǎn)大于其他頻率的振幅。這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，與LC電路的諧振現(xiàn)象非常相似。其諧振頻率與晶片的切割方法、幾何形狀和尺寸有關(guān)。
三、諧振器類型
石英晶體諧振器由具有極高品質(zhì)因數(shù)的石英晶體諧振器（即諧振器和振蕩電路）組成。晶體的質(zhì)量、切割方向、晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)和電路形式等，共同決定了諧振器的性能。
國際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體諧振器分為4類：普通晶體振蕩器（SPXO）、壓控晶體諧振器（VCXO）、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）和恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）。數(shù)字補(bǔ)償晶體損耗振蕩 (DCXO) 目前正在開發(fā)中。
(1)普通晶體諧振器(SPXO)可產(chǎn)生10-5～10-4量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率為100MHZ，頻率穩(wěn)定度為±100ppm。SPXO 不采用任何溫度和頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍為21×14×6mm和5×3.2×1.5mm。
(2)壓控晶體諧振器(VCXO)精度在10-6到10-5量級(jí)，頻率范圍1到30MHz。低容差諧振器的頻率穩(wěn)定性為±50ppm。通常用于鎖相環(huán)。封裝尺寸為14×10×3mm。
(3)溫度補(bǔ)償晶體諧振器(TCXO)采用溫敏器件進(jìn)行溫度和頻率補(bǔ)償，頻率精度10-7～10-6，頻率范圍1-60MHz，頻率穩(wěn)定度±1 ～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm到11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。
(4)恒溫控制晶體諧振器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫器中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO 的頻率精度在 10-7～10-8 量級(jí)，對(duì)于一些特殊應(yīng)用甚至更高。頻率穩(wěn)定性是四種諧振器中最高的。
四、諧振器主要參數(shù)
晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率、負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定性等，不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，大部分標(biāo)稱頻率都標(biāo)在晶振外殼上。
比如常見的普通晶振的標(biāo)稱頻率有48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，有特殊要求的晶振頻率可以達(dá)到1000MHz以上，也有非標(biāo)稱頻率的，如CRB、ZTB、Ja等。
負(fù)載電容是指晶體振蕩器的兩條引線所連接的IC塊內(nèi)外所有有效電容的總和，可以看作是晶體振蕩器在電路中的串聯(lián)電容。不同的負(fù)載頻率決定了諧振器不同的振蕩頻率。對(duì)于標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容可能不一樣。
因?yàn)槭⒕w諧振器有兩種諧振頻率，一種是串聯(lián)諧振晶體振蕩器的低負(fù)載電容晶體，另一種是并聯(lián)諧振晶體的高負(fù)載電容晶體。因此，在調(diào)換標(biāo)稱頻率相同的晶振時(shí)，負(fù)載電容必須相同，不能貿(mào)然調(diào)換，否則會(huì)造成電器工作不正常。
頻率精度和頻率穩(wěn)定性：由于普通晶振的基本性能滿足一般電器的要求，所以高端設(shè)備需要一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定性。頻率精度因幅度而異。穩(wěn)定性從 ±1 到 ±100ppm 不等。根據(jù)具體設(shè)備需求選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)需要更高要求的石英晶振。
因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的質(zhì)量和性能。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體要求選擇合適的晶振。由于不同性能的晶振價(jià)格不同，要求越高，價(jià)格也就越貴。一般選擇滿足要求即可。
五、諧振器和振蕩器有什么區(qū)別？
5.1 諧振器與振蕩器的一般區(qū)別
所謂諧振器不僅包括石英晶體諧振器，還包括陶瓷諧振器、LC諧振器等。晶體振蕩器是晶體振蕩器的簡稱。它是由晶體諧振器和電路組合而成的振蕩器元件，特別是由石英晶體制成的振蕩器元件。
所以完整的命名應(yīng)該是“Quartz Crystal Resonator”和“Quartz Crystal Oscillator”。另外，諧振器是無源器件，需要外圍電路驅(qū)動(dòng)其工作并產(chǎn)生時(shí)鐘輸出。振蕩器是有源器件，自帶內(nèi)置電路，提供更穩(wěn)定的時(shí)鐘輸出。
晶體振蕩器是一種以晶體為選頻元件的振蕩電路。與其他振蕩電路相比，具有選頻特性好（Q值高）和高頻穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
諧振器和振蕩器的根本區(qū)別是有源和無源，也可以說是有源和無源。振蕩器比諧振器多一個(gè)控制電路。
晶體諧振器有一些等效參數(shù)，不同的使用環(huán)境可能有不同的要求。例如，有些用戶需要負(fù)載電容C0/C1。選擇時(shí)要考慮環(huán)境溫度、負(fù)載電容、頻率精度，甚至 DLD 要求。這就需要對(duì)外圍振蕩電路的參數(shù)進(jìn)行一些控制，才能輸出穩(wěn)定的頻率。
晶體振蕩器避免了這些麻煩。振蕩電路已由廠家完成，只需要穩(wěn)定的電源即可有穩(wěn)定的輸出。此外，振蕩器還有一些輔助功能，如壓控晶振（VCXO）、溫補(bǔ)晶振（TCXO）、恒溫晶振（OCXO）等，這些振蕩器可以滿足一些較難的精密控制直接使用諧振器時(shí)實(shí)現(xiàn)。OCXO的頻率精度可以達(dá)到E-9級(jí)。
其次，晶體振蕩器由晶體諧振器制成，以便在其他部件上用作信號(hào)載體或定時(shí)。以滿足所生產(chǎn)產(chǎn)品的要求。
振蕩器只是一個(gè)頻率源，通常用于鎖相環(huán)。詳細(xì)地說，它是一種無需外部信號(hào)激勵(lì)即可將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源的設(shè)備。一般分為正反饋和負(fù)阻兩種。
所謂“振蕩”，其意為交換，振蕩器包括從無振蕩到振蕩的過程和功能。它可以完成從直流電源到交流電源的轉(zhuǎn)換。這種設(shè)備可以稱為“振蕩器”。
任何通信或電子系統(tǒng)都應(yīng)該在某個(gè)給定點(diǎn)具有正常范圍內(nèi)的電平值。調(diào)整到正常電平值的組件是放大器和衰減器。電平過低的點(diǎn)是引入噪聲的點(diǎn)，電平過高會(huì)造成過載，使放大元件出現(xiàn)不能容忍的非線性失真。衰減器的作用就不難理解了。衰減器有兩種類型：固定的和可變的。
5.2 諧振器和振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)分析
本節(jié)我們來分析晶體諧振器和陶瓷諧振器、諧振器和振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)。
(1)晶體諧振器和陶瓷諧振器的優(yōu)缺點(diǎn)
晶體諧振器的介紹上面已經(jīng)講過了，這里不再贅述。讓我們來看看陶瓷諧振器。
陶瓷諧振器是一種壓電陶瓷器件，用于以特定頻率振蕩。用于制造此類設(shè)備的材料會(huì)在生產(chǎn)過程中激發(fā)共振特性。
由于這種諧振特性在生產(chǎn)誤差范圍內(nèi)，其品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)低于石英，因此陶瓷諧振器所能提供的頻率穩(wěn)定性不如晶體諧振器。一般陶瓷諧振器用于成本低，性能要求不高的場(chǎng)合。
優(yōu)點(diǎn)：與晶體相比，陶瓷諧振器的成本僅為晶體的一半，體積更小。
缺點(diǎn)：與晶體相比，它缺乏頻率和溫度穩(wěn)定性。它的準(zhǔn)確度很差，大概在 1% 到 0.1% 之間。
(2)諧振器和振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)
振蕩器是一種將直流電轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的交流電的能量轉(zhuǎn)換裝置。由它構(gòu)成的電路稱為振蕩電路。振蕩器是有源器件。振蕩器比諧振器多一個(gè)控制電路。
振蕩器是用于產(chǎn)生重復(fù)電子信號(hào)（通常是正弦波或方波）的電子元件。由它形成的電路稱為振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的交流電信號(hào)的電子電路或裝置。
有很多類型。按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器和他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。
優(yōu)點(diǎn)：晶振信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，接線方法也比較簡單（主要是做好電源濾波，通常采用電容和電感組成的PI濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端使用小阻值電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波?？梢裕?，不需要復(fù)雜的配置電路。對(duì)于時(shí)序要求比較敏感的應(yīng)用，晶振的性能比較好。
缺點(diǎn)：與晶體諧振器相比，晶體振蕩器的缺點(diǎn)是其信號(hào)電平是固定的，需要選擇合適的輸出電平。它不太靈活且昂貴。此外，石英振蕩器需要很長時(shí)間才能啟動(dòng)。
體積：與無源晶體相比，晶體振蕩器通常體積更大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在有些晶體振蕩器是表面貼裝的，體積可以與晶體諧振器相媲美。
總結(jié)：陶瓷諧振器的典型初始精度在0.5%到0.1%的范圍內(nèi)，老化或溫度變化引起的漂移可能會(huì)改變這個(gè)精度范圍。
廉價(jià)陶瓷諧振器的公差僅為±1.1%，高端汽車的精度分別為±0.25%和±0.3%。未來的應(yīng)用在于工作溫度為-40°C至+125°C的汽車CAN（控制器局域網(wǎng)）總線應(yīng)用。頻率范圍為 200 kHz 至 1 GHz 左右的低成本陶瓷諧振器適用于對(duì)時(shí)序要求不嚴(yán)格的嵌入式系統(tǒng)。
陶瓷器件啟動(dòng)速度更快，通常比石英器件小。它們也更能承受沖擊和振動(dòng)。
常問問題
1. 諧振器有什么作用？
諧振器在生活中的唯一目的是在車輛到達(dá)消聲器之前改變發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，以最終降低分貝。
2. 電子學(xué)中的諧振器是什么？
諧振器是表現(xiàn)出諧振或諧振行為的設(shè)備或系統(tǒng)。... 諧振器用于生成特定頻率的波或從信號(hào)中選擇特定頻率。樂器使用產(chǎn)生特定音調(diào)的聲波的聲學(xué)諧振器。
3. 移除諧振器有什么作用？
諧振器刪除會(huì)改變車輛產(chǎn)生的脈沖通過排氣系統(tǒng)的方式。將此設(shè)備視為一個(gè)大型回聲室。它采用這些脈沖，優(yōu)化它們的頻率，這使得實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)電成為可能。
4.消聲器刪除或諧振器刪除哪個(gè)更好？
如果您想要一輛更響亮、更輕的車輛，最好刪除消聲器。如果您追求良好的聲音和更大的功率，那么諧振器刪除是您要走的路。... 畢竟，諧振器刪除和消聲器刪除之間的區(qū)別并不那么重要。
5. 晶體和諧振器有什么區(qū)別？
陶瓷諧振器利用電子元件內(nèi)的頻率，但與頻率容差為 10~30 PPM 的晶體不同，陶瓷諧振器具有 0.5% 或 5,000 PPM 的頻率容差，通常用于絕對(duì)穩(wěn)定性不重要的微處理器應(yīng)用中.
6. 是否需要進(jìn)氣諧振器？
進(jìn)氣諧振器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行更安靜，也更高效。... 進(jìn)氣諧振器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行更安靜，也更高效。
7. 諧振器會(huì)限制氣流嗎？
Magnaflow諧振器根本不限制流動(dòng)，就像添加一段直管一樣，因?yàn)樗鼈兪侵蓖ǖ摹?span lang="EN-US">magnaflow 的設(shè)計(jì)沒有使用腔室，而是使用一個(gè)被吸音材料包圍的穿孔直管。
8. 噪聲諧振器的最佳頻率是多少？
諧振器設(shè)計(jì)為在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出最大噪音的頻率范圍內(nèi)工作最佳；但即使頻率不是諧振器所調(diào)諧到的頻率，它仍然會(huì)產(chǎn)生一些破壞性干擾。
9. 諧振器能讓我的排氣安靜嗎？
消音器和諧振器協(xié)同工作，使汽車的排氣安靜并減少煩人的聲音。雖然它們的功能不同，但它們都有助于改善您的排氣音。也可以刪除消音器和諧振器，以獲得更響亮、更具侵略性的排氣聲。
10. 移除諧振器會(huì)增加馬力嗎？
通常；排氣系統(tǒng)越安靜，它從您的發(fā)動(dòng)機(jī)中竊取的馬力就越多。...移除所有消音器和諧振器將提供稍微更大的增加，但請(qǐng)記住，隨著限制的取消，排氣聲會(huì)變得更大。