【科普】什么是振荡器和谐振器？及其区别详解

一、振荡器

振荡器是一种电子电路或装置，其功能是将直流电（DC）能量转换为具有一定频率、幅度和波形的交流电（AC）能量。它能够在没有外部周期性信号驱动的情况下，自发地产生并维持稳定的振荡状态，输出连续的、重复的交流电信号。#振荡器#在电子工程、通信、测量、计算机系统、时钟同步、控制设备等多个领域具有广泛应用。

振荡器的工作原理通常基于以下几个关键要素：

1. 能量转换机制：振荡器内部包含一个储能元件（如电容或电感）与一个可逆能量转换过程，如电场能与磁场能之间的相互转换。在LC振荡器中，电容器与电感器组成的回路会储存并交替释放能量，形成自由振荡。

2. 正反馈：为了维持振荡，振荡器电路必须包含一个正反馈网络，它将输出信号的一部分送回输入端，并且这个反馈信号与原输入信号同相，从而增强原始振荡。这种正反馈机制确保了振荡的持续进行，即使在初始启动后也无需外部激励。

3. 放大环节：由于实际电路存在损耗，振荡器通常包含一个放大器（如晶体管、运算放大器等），用于补偿这些损耗并提供必要的增益，以保持振荡幅度稳定。

4. 选频网络：为了得到特定频率的振荡，振荡器还包含一个选频网络（如LC谐振回路或石英晶体），该网络对某一特定频率的信号提供最大增益，确保电路仅在该频率下起振，从而产生单一频率的输出。

根据不同的工作原理、结构特点和应用需求，振荡器可以分为多种类型：

• 按激励方式：

  • 自激振荡器：利用电路内部产生的反馈信号维持振荡。

  • 他激振荡器：需要外部信号启动，但一旦开始振荡，便能独立维持。

• 按电路结构：

  • RC振荡器：使用电阻（R）和电容（C）组成的回路作为选频网络。

  • LC振荡器：使用电感（L）和电容（C）组成的谐振回路作为选频网络，包括变压器耦合式和三点式振荡器。

  • 晶体振荡器：使用石英晶体（或其它压电材料）作为精确的频率选择元件，具有极高频率稳定性。

    优点：晶振信号质量好，比较稳定，连接方法比较简单（主要是为了做好电源滤波，通常采用电容和电感组成的PI型滤波网络，并且需要较小的电容和电感）。输出端采用电阻对信号进行滤波（是），无需复杂的配置电路。对于时序要求敏感的应用，晶振的性能相对较好。

    缺点：与晶体谐振器相比，晶体振荡器的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择合适的输出电平。灵活性差，价格高。另外，石英振荡器的启动时间较长。

    体积：与无源晶体相比，晶体振荡器的体积通常较大。随着技术的进步，现在有些晶振是表面贴装的，体积与晶体谐振器相当。

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  • 硅振荡器：这种完全集成的振荡器组件是最简单的时钟源。这些器件可以生成具有指定频率的方波，可以直接馈送到微控制器的时钟输入中。硅振荡器不依赖机械谐振特性来获得振荡频率，而是基于内部RC时间常数。这种设计使得硅器件对外部机械效应不敏感。与传统振荡器不同的是，没有外露的高阻抗节点，因此硅振荡器可以承受更大的湿度和EMI影响。硅振荡器不需要严格匹配的定时元件和电路板走线。

  • 音叉振荡器：基于机械振动原理，如金属音叉的共振特性。

• 按输出波形：

  • 正弦波振荡器：产生近似正弦波形的输出信号。

  • 方波振荡器：输出方波信号，常用于数字电路和时序控制。

  • 锯齿波振荡器：输出锯齿波形，用于某些特定的测试和测量应用。

  • 脉冲波振荡器：产生脉冲序列，如单稳态或多稳态振荡器。

• 其他分类：

  • 弛张振荡器：工作原理基于非线性元件的充电和放电过程，其输出波形通常为非正弦波，如方波、三角波或脉冲波。

@振荡器因其高精度、稳定性及易于集成等优点，在各种电子设备中扮演着至关重要的角色，如作为时钟信号源、频率基准、通信载波发生器、测量标准、音频信号生成器等。

二、谐振器

谐振器是一种电子元件或物理系统，其设计旨在在一个或多个特定频率（谐振频率）上表现出强烈的共振现象。在这些频率上，谐振器能够以最大效率吸收、存储和释放能量，同时对外部激励信号产生强烈的响应。谐振器的主要特征包括：

1. 共振特性：当受到与自身固有频率匹配或接近的外部信号刺激时，谐振器的振幅显著增大，相对于其他频率，其能量转移效率最高。这种现象称为共振。

2. 频率选择性：谐振器对特定频率有很高的敏感度和选择性，对远离谐振频率的信号则反应较弱。这一特性使得谐振器常被用作滤波器元件，用于提取或抑制特定频率成分。

3. 类型：

   • 石英晶体谐振器（晶振）：石英晶体俗称水晶，其成分为SIO2。它是一种重要的压电材料。它的主要特点是其原子或分子有规则排列，这在宏观上体现在形状的对称性上。在电场作用下，晶体内部产生应力和变形，从而产生机械振动，获得特定的频率，利用其逆压电效应特性制造石英晶体谐振器。石英具有天然的高品质因数“Q”，这使得晶体能够在整个工作温度和电压范围内保持高精度和频率稳定性。

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     优点：信号电平是可变的，也就是说，是根据振荡电路来确定的。同一晶振可以适用于多种电压，可用于多种时钟信号电压要求不同的芯片，而且价格通常较低。 。晶体谐振器的精度为1PPM（百万分之一）至100PPM。

     缺点：晶体谐振器是2个引脚的无极性元件。它需要借助时钟电路来产生振荡信号，并且它本身不能振荡。与晶体振荡器相比，晶体谐振器的缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容器、电感、电阻等）。当更换不同频率的晶振时，需要对外围电路进行相应的配置。调整。

     晶体谐振器有一些等效参数，不同的使用环境可能有不同的要求。选择时还应考虑环境温度、负载电容、频率精度等要求。这需要对要输出的外围振荡器电路的参数进行一些控制。频率稳定。

   • 陶瓷谐振器：

     陶瓷谐振器是一种用于以特定频率振荡的压电陶瓷器件。用于制造此类设备的材料在生产过程中会激发共振特性。由于这种谐振特性在生产误差范围内，且其品质因数远低于石英谐振器，因此陶瓷谐振器所能提供的频率稳定性不如晶体谐振器。一般陶瓷谐振器用于成本较低、性能要求不高的场合。

     优点：与晶体相比，陶瓷谐振器的成本仅为晶体的一半，尺寸更小。

     缺点：与晶体相比，缺乏频率和温度稳定性。其准确度较差，在1%到0.1%之间。

     摘要：陶瓷谐振器的典型初始精度在 0.5% 至 0.1% 范围内，由于老化或温度变化引起的漂移可能会改变此精度范围。廉价陶瓷谐振器的公差仅为±1.1%，高端汽车的精度分别为±0.25%和±0.3%。未来的应用在于汽车CAN（控制器局域网）总线应用，工作温度为-40°C至+125°C。频率范围为 200 kHz 至约 1 GHz 的低成本陶瓷谐振器适用于没有严格时序要求的嵌入式系统。陶瓷器件启动速度更快，并且通常比石英器件更小。它们也更能承受冲击和振动。

   • LC谐振器：由电感（L）和电容（C）组成的无源电路，可以在特定频率下发生串联谐振或并联谐振，用于滤波、调谐和振荡电路中。

   • 机械谐振器：如音叉、金属片、微机电系统（MEMS）谐振器等，依赖于机械振动，用于特定的声学、振动测量或时钟生成应用。

4. 应用：谐振器广泛应用于电子设备中，具体用途包括：

   • 频率控制：为电路提供稳定的参考频率，如在时钟电路、频率合成器、通信设备中作为基准源。

   • 滤波：作为带通滤波器元件，允许特定频率范围内的信号通过，抑制其他频率的干扰。

   • 能量传输：在无线能量传输系统中，谐振器用于匹配发送端和接收端的谐振频率，提高能量传输效率。

   • 振荡器组件：与放大器一起构成振荡器电路，提供稳定的自激振荡频率。

   • 检测与测量：用于检测特定频率的信号或测量物理参数（如材料属性、应力等）。

5. 形式因素：谐振器根据封装和安装方式可分为直插式和贴片式（表面贴装器件，SMD），适应不同电路板组装工艺的要求。

@谐振器是一种能够选择性响应特定频率的电子或物理组件，利用其共振特性在电子设备中执行频率选择、能量传输、频率控制等任务，对于保证电子系统的稳定运行、精确时钟同步和有效通信至关重要。

三、振荡器和谐振器的区别总结

• 能量转换：振荡器是有源器件，能将直流电能转换为交流电能；谐振器是无源器件，不进行能量转换，仅对外部信号响应。

• 信号生成：振荡器能够自主产生周期性振荡信号；谐振器不能自动生成信号，仅在外部激励下在特定频率上共振。

• 电路构成：振荡器包含放大元件和反馈回路，通常还包括控制电路以稳定输出；谐振器本身只是一个基本的谐振元件（如LC电路、石英晶体等）。

• 应用侧重点：振荡器侧重于生成稳定、可控的时钟或载波信号；谐振器侧重于选频、滤波及为振荡器提供频率基准。

谐振器是振荡器电路中的关键组成部分，负责确定振荡频率，而振荡器则是包含谐振器在内的完整系统，能够独立产生并维持周期性振荡。