振蕩電路解密！石英晶體上電后多久會起振？

振蕩器 Oscillator 是電子電路很重要的一環(huán)，有了振蕩器后，模擬電路才開始邁向通訊領(lǐng)域，數(shù)字電路則開始有「時間序」的概念，也才有后來狀態(tài)機(jī) state machine 的應(yīng)用，所以振蕩器的起振非常重要，沒振起來一切免談，有振起來，頻率也要準(zhǔn)才行，現(xiàn)今最常用的是晶體振蕩器 XTAL 。

今天有人問我上電后的石英晶體需要多久時間才會穩(wěn)定振蕩？這我倒沒真的測試過，既然有人問了我們就來測看看吧！

晶體振蕩—線路

下圖是一般常見的考畢茲晶體振蕩線路（Colpitts Oscillator），雖然說振蕩線路百百種，但利用石英晶體 Crystal（XTAL）作為振蕩組件的方式仍然是主流，因?yàn)槭⒕w的 Q 值非常高，頻率可以很準(zhǔn)。

所謂 Q 值是組件儲能與耗能的比例，有些人或許會有點(diǎn)陌生，但基本上它只是一個用來敘述儲能組件或系統(tǒng)的名詞。

Q=儲能/耗能

晶體振蕩器線路圖

以敲鐘來舉例，你敲它一下，鐘聲會余音繚繞，這就是鐘罩外層的振蕩所致，聲音繚繞越久，表示 Q 值越高，如果你在鐘罩內(nèi)鋪上棉絮等布料，聲音會很快被布料吸走，甚至只剩下敲鐘當(dāng)下的打擊聲，這樣的情況就表示 Q 值很低；如果有個鐘，它能讓人只敲一下就響到無窮無盡，那就表示它零耗能，也就是 Q 值無限大，當(dāng)然這樣的東西并不存在。

石英晶體的高 Q 值，只要配上兩個電容就能形成一個共振腔，但共振腔內(nèi)的振蕩訊號終究會停止，若再配上一個放大器把輸出的訊號放大再加回到原來的輸入端，就形成了可永久振蕩的振蕩器。

以上只是簡略敘述振蕩器怎么回事，真的要寫起來會無窮盡，我今天只是要來看看多久會起振而已。

實(shí)體電路

身為實(shí)作派的助教，除了畫畫線路圖跑模擬之外，當(dāng)然也要拿實(shí)際的線路真槍實(shí)彈地電路板跑看看才行。下圖是某個半殘的電路板，雖然功能上有點(diǎn)問題，但它還能開機(jī)、LED 也會閃爍，這表示系統(tǒng)有跑起來，晶體振蕩器有正常工作。

下圖中的藍(lán)色線，就是我的測量點(diǎn)，XTAL 石英晶體的其中一根腳，我將它直接接到示波器的探棒；但我必須說，這樣的接法是不及格的，因?yàn)楫?dāng)我們直接把探棒接在 XTAL 的組件上，它的寄生電容會影響系統(tǒng)的振蕩頻率，甚至有可能不起振。

正確的做法應(yīng)該要使用主動探棒，但主動探棒很貴，除非需要經(jīng)常用到，不然買起來還真心疼。如果你對芯片的 SDK 很熟，可以從芯片內(nèi)部將頻率 clock 的訊號從 GPIO 繞出來，這樣間接地測量才不會影響到振蕩頻率。

我自己會直接用探棒接觸，是不得已的，一來這塊板子的 Firmware 不是我寫的，二來這顆芯片并沒有 GPIO 可以讓你把頻率訊號繞出來；還好探棒直接接觸后，XTAL 仍然有起振，示波器還是能觀察到，但頻率絕對有偏差，只是頻偏目前不是我關(guān)心的重點(diǎn)。

晶體振蕩器電路板

附帶一提，量個振蕩訊號，不是只要拉一條藍(lán)色線接上 XTAL（雖然這樣接不及格）就好嗎？上圖中其它的線是怎么回事？原來這顆芯片只是整塊電路板的一個子電路，我不想讓它受到 main chip 的指令干擾，所以我用外部的 3.3 V 直接供電給子電路，另外這顆芯片有 Reset# pin，要將它 pull high 才能讓芯片開始工作，否則 XTAL 不會起振。

頻偏的問題

剛剛提到，我這種直接接觸的測量方式會導(dǎo)致頻偏，那么頻偏會造成什么問題嗎？系統(tǒng)依舊可以開機(jī)，程序也可以跑，到底哪里會有問題？

我舉個例子好了，模擬電視 NTSC 的色彩訊號頻率 spec 是 3.579545 MHz，電視機(jī)的振蕩頻率理論上要跟它一樣，但 spec 規(guī)范的容忍度規(guī)范是多少呢？只有+/-10 Hz，這大約是 2.8 ppm，也就是說你的色彩訊號可能因?yàn)槟阌檬静ㄆ饔|碰石英晶體的關(guān)系，造成多 2.8 ppm 的頻偏，而這就足以讓你的電視機(jī)從彩色變黑白，而且還附帶很多噪聲，因?yàn)轭伾嵦栆呀?jīng)變成畫面的一部份了。

不過還好，我多年前自己試驗(yàn)的結(jié)果，電視機(jī)通常會自己追彩色訊號的頻率，除非你偏得太離譜，電視機(jī)才會秀黑白畫面給你看。如果 3.58 MHz的訊號都能讓機(jī)器誤動作了，那現(xiàn)在流行的 Wifi 頻率在 2.4 GHz/5 GHz，當(dāng)然對頻率又更敏感了。

也許你會問頻偏可以從示波器觀察到嗎？我的答案是不行。如果你觀察過示波器的頻率測量，你會發(fā)現(xiàn)一般示波器的頻率測量位數(shù)只到小數(shù)點(diǎn)下 2 位，少數(shù)機(jī)型會到小數(shù)點(diǎn)下 4 位，但它會不斷跳動，我不認(rèn)為你有機(jī)會能穩(wěn)定觀察到這 10 Hz 的變化，除非你用的是高檔貨。

石英晶體起振

回到我原本的問題上，直接上電觀察何時起振，如下圖 10 ms 以內(nèi)就起振穩(wěn)定了，當(dāng)然每個電路起振的時間不同，我這里只是要表達(dá)，它不會讓你等超過 1 sec。

振蕩器是由小到大漸漸起振的，它不會馬上有弦波，而是需要時間將能量累積，才能振出穩(wěn)定的訊號。這很像設(shè)計(jì)不良的擴(kuò)音系統(tǒng)，當(dāng)它發(fā)生回授時，那尖銳的噪音并非馬上出現(xiàn)，而是由小到大漸進(jìn)出現(xiàn)，雖然它出現(xiàn)的時間只有短短幾秒鐘，仔細(xì)觀察還是能發(fā)現(xiàn)麥克風(fēng)的噪音是由小漸進(jìn)到大。

事實(shí)上，振蕩器就是利用回授系統(tǒng)將噪聲中的特定頻率不斷地放大，而晶體振蕩的頻率是由石英晶體的構(gòu)造決定的，就好像鐘聲的高低音，是由它的形狀決定的一樣，而噪聲在振蕩器里的角色，就如同敲鐘的槌子一般，而我們的電路最不缺噪聲，因?yàn)橛袦囟染陀性肼?，甚至外來的噪聲也不少，我們就好好利用噪聲吧?/p>

晶體振蕩的起振波形

我展開前段波形的其中一部分，來看看頻率是多少，由于振福太小沒辦法用自動量測，我只好以 cursor 大概的量一下，確實(shí)是 16 MHz。

晶體振蕩波形放大

在振蕩器起振的這段時間，為避免 Chip 誤動作，最好能在這段時間讓 chip 處于 Reset 狀態(tài)，減少對系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)上每個 chip 的 reset 時間長短也都需要與軟件的 timeout 搭配，如果設(shè)計(jì)得太剛好，可能會在有些 API 呼叫時 fail，而且還不是每次都 fail，這里就是軟硬件工程師要合作的地方。