石英晶體音叉：為什么它成為電子計時的首選？

石英晶體音叉或手表晶體是最古老的石英晶體設(shè)計之一。音叉最初用于手表和鐘表的計時，現(xiàn)在也用于計算機(jī)等現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，作為實(shí)時時鐘（RTC）。全球供應(yīng)商每年生產(chǎn)數(shù)億個這種形狀獨(dú)特的石英晶體。音叉晶體有多種尺寸可供選擇，以滿足設(shè)計需求，每年都有趨勢指向更小的表面貼裝晶體封裝。

石英晶體音叉（也稱為圓柱晶振）是指?石英晶片外形類似音叉的晶振?。它是一種石英晶體諧振器，常用于提供時鐘頻率，確保電子設(shè)備能夠正常工作。音叉晶振的常用頻率為32.768KHZ，主要尺寸有?DIP:38mm、26mm，常用于遙控器，石英手表，時鐘，計算機(jī)、家電自動控制和工業(yè)自動控制等等。

音叉晶體背景

顧名思義，石英晶體是由石英制成的。傳統(tǒng)上，石英是一種天然存在的硬質(zhì)礦物，但今天的大部分石英都是在高壓釜中合成生長的，這提供了比天然石英更高的標(biāo)準(zhǔn)純度。使用石英是因?yàn)楫?dāng)施加機(jī)械壓力和張力時會變成壓電并產(chǎn)生電荷。這種壓力會導(dǎo)致我們稱為頻率的機(jī)械振動。

石英需要以精確的角度切割，以啟動特定的振動模式并確保壓電效應(yīng)起作用。最常見的晶體設(shè)計之一是 AT Cut晶體。AT Cut晶體的頻率由晶體的厚度決定。例如：晶體越薄，頻率越高。晶體的振動質(zhì)量將直接決定晶體振蕩器電路設(shè)計是否需要并聯(lián)或串聯(lián)諧振晶體。

音叉晶體頻率和工作原理

晶體機(jī)械振動模式有四種常見的：彎曲、拉伸、面剪切和厚度剪切。石英晶體音叉將在彎曲模式下運(yùn)行，其特征是柄腳在水平平面上獨(dú)立但同相振動。彎曲模式晶體主要在低于 1 MHz的低頻范圍內(nèi)工作。雖然泛音模式是可能的，但音叉晶體主要用作基頻。

最常見的石英晶體頻率是 32.768 kHz。這個頻率已經(jīng)變得很普遍，因?yàn)楫?dāng) 32.768 kHz除以 2/15時，會有 1 Hz的信號。該 1 Hz信號將始終提供一秒的時間。這為日期、日期和時間的出現(xiàn)提供了一個可靠的計時系統(tǒng)。經(jīng)典音叉的頻率最終是簡單的算術(shù)運(yùn)算和石英生產(chǎn)的一般條件的結(jié)果。

音叉晶體拋物線溫度曲線

由于其獨(dú)特的形狀，音叉晶體在很寬的溫度范圍內(nèi)無法提供高精度。它們的溫度精度可以繪制為隨溫度變化的拋物線曲線。在室溫或大約 +25°C下，該精度通常為 ±20ppm。這相當(dāng)于每天增加或減少 1.7秒的時間或每年增加或減少 10.34分鐘。圖 1顯示了在極高和極低溫下的精度下降。在這些溫度下的典型精度遠(yuǎn)低于 ±150ppm，這相當(dāng)于每天損失近 13.0秒或每年損失約 1.3小時。32.768 kHz音叉晶體的常見拋物線系數(shù)為 0.04 ppm/°C2。

圖 1：確定音叉頻率穩(wěn)定性的拋物線曲線

如何確定典型 32.768 kHz音叉晶體的溫度與精度的關(guān)系

在特定頻率（f）和溫度（T）下，典型晶體的頻率偏差（Δf）為：

Δf/f = k（T – To)2+ Fo

• f是標(biāo)稱晶體頻率
• k是曲率常數(shù)
• T是溫度
• To是翻轉(zhuǎn)溫度
• fo是室溫下的頻率偏差

對這些方程的分析揭示了只有三個變量控制晶體隨溫度的變化頻率響應(yīng)。這些是曲率接觸、翻轉(zhuǎn)溫度和室溫頻率偏差。曲率常數(shù)對頻率偏差隨溫度變化的拋物線性質(zhì)影響最大，但該常數(shù)的偏差非常小。不同的周轉(zhuǎn)溫度會使曲線向左或向右移動，而室溫下的不同頻率偏差會使曲線上下移動。