电路其他基本元器件（蜂鸣器、晶振等）

其他基本元器件：

蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示

分类

按其驱动方式的原理分，可分为：有源蜂鸣器（内含驱动线路，也叫自激式蜂鸣器）和无源蜂鸣器（外部驱动，也叫他激式蜂鸣器）；

这里的“源”不是指电源，而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫；而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K-5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。

有源蜂鸣器的优点是：程序控制方便。
无源蜂鸣器的优点是：1、便宜；2、声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果；3、在一些特例中，可以和LED复用一个控制口

a、b外观上看，两种蜂鸣器好像一样，但仔细看，两者的高度略有区别。如将两种蜂鸣器的引脚都朝上放置时，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。

无源他激型蜂鸣器的工作发声原理是：方波信号输入谐振装置转换为声音信号输出，无源他激型蜂鸣器的工作发声原理图如图：

有源自激型蜂鸣器的工作发声原理是：直流电源输入经过振荡系统的放大取样电路在谐振装置作用下产生声音信号，有源自激型蜂鸣器的工作发声原理图如图：

主要参数

工作电压：
电磁式蜂鸣器从1.5到24V；
压电式蜂鸣器从3V到220V都是可行的，但一般压电的还是建议有9V以上的电压，以获得较大的声音。
消耗电流：
电磁式蜂鸣器的依电压的不同，从几十到上百毫安培都有；
压电式蜂鸣器的就省电的多，几毫安培就可以正常的动作，且在蜂鸣器启动时，瞬间需消耗约三倍的电流。
驱动方式：
二种蜂鸣器都有自激式的，只要接上直流电(DC)即可发声，因为已内建了驱动线路在蜂鸣器中了，因为动作原理的不同，
电磁式蜂鸣器要用1/2方波来驱动；
压电式蜂鸣器的用方波,才能有较好的声音输出。
尺寸：
蜂鸣器的尺寸会影响到音量的大小，频率的高低，
电磁式蜂鸣器的最小从7mm到最大的25mm；
压电式蜂鸣器的从12mm到50mm或更大都有。
连接方式：
一般常见的有插针(DIP)，焊线(Wire)，贴片(SMD)，压电式大颗的还有锁螺丝的方式。
音压：
蜂鸣器常以10cm的距离做为测试的标准，距离增加一倍，大概会衰减6dB，反之距离缩短一倍则会增加6dB，
电磁式蜂鸣器大约能达到85dB / 10cm的水准；
压电式蜂鸣器就可以做的很大声，常见的警报器，大都是以压电蜂鸣器制成。

驱动电路

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的（但AVR可以驱动小功率蜂鸣器），所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。

NPN型三极管控制蜂鸣器

元件作用如下：
D1：
作为续流二极管，蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管D1提供续流。否则，在蜂鸣器两端会有反向感应电动势，产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。而如果电路中工作电压较大，要使用耐压值较大的二极管，而如果电路工作频率高，则要选用高速的二极管。
C2：
作为滤波电容，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个220uF的电解电容。
Q1：
三极管Q1起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。（蜂鸣器不应该放发射极，原因是放发射极后蜂鸣器有内阻相当于抬高了发射极的电压，则U_BE会变小，I_B变小，进而导致I_C变小，蜂鸣器压降变小，蜂鸣器发声不足。）
R1：
充当限流电阻，防止流过基极电流过大损坏三极管。
R2 ：
1、相当于基极的下拉电阻。如果A端被悬空则由于R2的存在能够使三极管保持在可靠的关断状态（在电路关断时，因为三极管有结间电容，三极管be段端电压由0.7V缓慢下降，三极管没有完全关断，且处较于长时间放大状态，会损坏三极管）。如果删除R2则当BUZZER输入端悬空时则易受到干扰而可能导致三极管状态发生意外翻转或进入不期望的放大状态，造成蜂鸣器意外发声。所以加个下拉电阻，进行放电。
2、提升高电平的门槛电压。如果删除R2，则三极管的高电平门槛电压就只有0.7V，即A端输入电压只要超过0.7V 就有可能导通（0.7V的门槛电压对于数字电路来说太低了， 电磁干扰的环境下，很容易造成蜂鸣器鸣叫），添加R2的情况就不同了，当从A端输入电压达到约2.2V 时三极管才会饱和导通，具体计算过程如下：
假定β =120为晶体管参数的最小值，蜂鸣器导通电流是15mA。那么集电极电流IC=15mA。则三极管刚刚达到饱和导通时的基极电流是 IB=15mA/120=0.125mA。流经R2的电流是0.7V/3.3kΩ=0.212mA，流经R1的电流 IR1=0.212mA +0.125mA=0.337 mA。最后算出BUZZER端的门槛电压是0.7V+0.337mA× 4.7kΩ=2.2839V≈2.3V。
C1
可以在有强干扰环境下，有效的滤除干扰信号，避免蜂鸣器变音和意外发声，在 RFID射频通讯、Mifare卡的应用时，这里初步选用0.1uF 的电容，具体可以根据实际情况选择。
C3
蜂鸣器在发声时，向外发生1.87KHz，-2.91V 的脉冲信号（这个不一定的）。为此我们可以考虑增加滤波电容将脉冲信号滤除。在有源蜂鸣器的两端添加一个104的滤波电容C3，脉冲信号削减到-110mV，但顶部信号由于电容充电过慢，有点延时。

PNP型三极管控制蜂鸣器

当网络节点Beep为高电平时，三极管Q1截止，蜂鸣器无电流，不响。
当网络节点Beep为低电平时，三极管Q1导通，蜂鸣器有电流，会响。

R1,R2 ：
蜂鸣器的限流电阻，这是很常见的一种安装方法，主要起到两个作用：
1、是这两个电阻并联一起，可以分流，使每个电阻上的的热量不会超过它的额定功耗，保证电阻寿命；2、是方便调试。在一个电阻功率都能满足的情况下，如果要增加蜂鸣器响度，只需再并联一个电阻就行，而不需要重新拆下原来的电阻，调试方便。同时在选取不到合适电阻时，也可以用并联方式来解决。
R3：
为上拉电阻，目的为了在Beep节点悬空时，三极管Q1的基极有一个稳定的高电平。
R4：
限流电阻，防止流过基极电流过大损坏三极管。
C1：
滤波电容，对刺耳的高频信号能起到旁路作用。
Q1 ：
起开关管的作用，控制蜂鸣器。

晶振

晶振是数字电路的心脏，就是因为所有的数字电路都需要一个频率高度稳定的工作时钟信号，为电路的工作提供时序基准，使各个模块的工作能够有条不紊的进行下去。而LC振荡器稳定性较差，频率容易漂移（即产生的交流信号频率容易变化），所以最常见的就是用晶振来解决，可以说只要有数字电路的地方就可以见到晶振。
在振荡器中采用一个特殊的元件——石英晶体，可以产生高度稳定的信号，这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器。

符号

分类

晶振的分类： 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振crystal（简称晶体，也叫谐振器）：
一般是直插两个脚的无极性元件，需要借助时钟电路才能产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。

有源晶振oscillator（简称晶振，也叫振荡器）：
一般是表贴四个脚的封装，含有电源引脚、地引脚、频率输出引脚等，只需供电便可产生振荡信号。一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式。（但是不是说这种封装一定是有源晶振，也可能是无源的，两个是NC脚，还有些封装是六脚的，可能多了控制脚等）

区别：

价格：
有源晶振比较贵，但是有源晶振自身就能震动。而无论是无源晶振，还是有源晶振，都有自身的优点和缺点所在，若考虑产品成本，建议可以选择无源晶振电路；若考虑产品性能，建议选择有源晶振电路，省时方便也能保证产品性能。
精度：
无源晶振最高精度为5ppm，而有源晶振的精度则可以达到0.1ppm。精度越高，频率稳定性也更好。有源晶振在稳定性上要胜过无源晶振，但也有自身小小的缺陷，有源晶振的信号电平是固定，所以需要选择好合适输出电平，灵活性较差。
封装：
有源晶振一般4个脚，一个电源，一个接地，一个信号输出端，一个NC（空脚）。有个点标记的为1脚，按逆时针（管脚向下）分别为2、3、4。
外部电路：
无源晶振有2个引脚，需要借助于外部的时钟电路(接到主IC内部的震荡电路)才能产生振荡信号，自身无法振荡。有源晶振含内部的时钟电路，只需供电便可产生振荡信号。

工作原理

晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振（谐振频率与石英斜面倾角等有关系，且频率一定）。晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多为石英半导体材料，外壳用金属封装。


石英晶体有一种特性，如果在晶片某轴向上施加压力时，相应施力的方向会产生一定的电位。

相反的，在晶体的某些轴向施加电场时，会使晶体产生机械变形。

主要参数

标称频率：
不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标注在晶振外壳上。一般核心频率的选择取决于频率需求元件的要求，比如时钟芯片就需要32.768KHz的晶振，MCU一般是一个范围，基本上从4M到几十M都有。

负载电容（CL）：
负载电容是指晶振的两条引线连接的集成电路（IC）内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载电容不同，振荡器的振荡频率不同。但标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。一般来说，有低负载电容（串联谐振晶体）和高负载电容（并联谐振晶体）之分。因此，标称频率相同的晶体互换时还必须要求负载电容一致，不能轻易互换，否则会造成电路工作不正常。

频率准确度：
频率准确度是指在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度（25℃）以及其他条件保持不变时，晶体振荡器的频率相对于其规定标称值的最大允许偏差，即（fmax-fmin）/f0。精度一般常见的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。精度的选择一般要参考频率需求器件对精度的要求，比如高精度的时钟芯片一般在±5ppm以内，普通的应用都选择在±20ppm左右。

温度稳定度：
温度稳定度是指其他条件保持不变时，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）。之所以把工作温度单独拿出来，主要是由于晶振是个物理的器件，工作温度与价格是成正比，工作温度要求越高，价格越高，所以选择晶振时也需要重点考虑工作温度。

应用电路

并联型晶体振荡器

单片机和其他一些IC的振荡电路的真名叫“三点式电容振荡电路”，这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器提供了180°的相移，晶振、R1、C1、C2组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。另外一个条件是要求闭环增益应≥1，才能正确起振和保持振荡。

串联型晶体振荡器

接通电源后，三极管VT1、VT2导通，VT2发射极输出变化的Ie电流中包含各种频率的信号，石英晶体X1对其中的f0信号阻抗很小，f0信号经X1、RP1反馈到VT1的发射极，该信号经VT1放大后从集电极输出，又加到VT2放大后从发射极输出，然后又通过X1反馈到VT1放大，如此反复进行，VT2输出的f0信号幅度越来越大，VT1、VT2组成的放大电路放大倍数越来越小，当放大倍数等于反馈衰减系数时，输出f0信号幅度不再变化，电路输出稳定的f0信号。

检测

电容测量法：晶体在结构上类似一只小电容，所以可用电容表测量晶体的容量，通过所测和的容量值来判断它是否正常。

以下是常用晶体的容量参考值。

晶振电容的作用

1、匹配电容

无源晶振电路中不只是有一个晶振，为了满足谐振条件让晶振起振正常工作，通常还有两个电容，两个电容一般称为“匹配电容”或者“谐振电容”。一般外接的这两个电容是为了使晶振两端的等效电容等于或接近于负载电容 （晶振的负载电容是已知的，在出厂时已经定下来了，一般是几十pF）。

要求高的场合还要考虑IC输入端的对地电容。一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍。这样并联起来就接近负载电容了。

电容值的大小影响谐振频率（也就是会发生频偏），一般情况下**，增大电容会使震荡频率下降，减小电容会使震荡频率升高。**

2、 负载电容

晶振有一个重要的参数，即负载电容CL（Load capacitance），它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容 （不是晶振外接的匹配电容），主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻，与晶体一起决定振荡器电路的工作频率， 通过调整负载电容，就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

3、负载电容计算

电容三点式电路
一般单片机都会有这样的电路。晶振的两个引脚与芯片（如单片机）内部的反相放大器相连接，再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2，组成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。

U1： 增益很大的反相放大器。
X1： 晶体。相当于电容三点式电路里面的电感。
CL1、CL2： 匹配电容。是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点，输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看，形成一个正反馈以保证电路持续振荡，它们会稍微影响振荡频率，主要用与微调频率和波形，并影响幅度。
R1： 反馈电阻（一般≥1MΩ）它使反相器在振荡初始时处于线性工作区。
R2： 限流电阻，与匹配电容组成网络，提供180度相移，同时起到限制振荡幅度，防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。

负载电容计算公式
负载电容的公式如下所示：

4、匹配电容计算

匹配电容计算公式
为了保持晶体的负载平衡，在实际应用中，一般要求C_L1
=C_L2 ，所以进一步可以得到下式：

Cic + △C 一般为 3 - 5 pF

计算示例
C_L负载电容（load capacitance），常用的标准值有12.5 pF，16 pF，20 pF，30pF，负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的，负载电容变小时，频率偏差量变大；负载电容提高时，频率偏差减小。

STM32F103系列芯片使用32.768kHz晶振典型应用，负载电容C_L取6pF时，当C_stary取2pF，则

5、选取原则

1、选择NPO/COG高频材质的贴片陶瓷电容（外观看起来是白色的）。
2、尽量选择小封装的电容（封装小的器件寄生参数小）。
3、因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。
4、在许可范围内，C1，C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。
5、最好C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。