晶振與STM32的那些小關(guān)系

01、晶體的壓電效應(yīng)
壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。

正壓電效應(yīng)：當(dāng)外力去掉后，電介質(zhì)又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。

逆壓電效應(yīng)：當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失。

當(dāng)在晶體表面上施加機(jī)械壓力時(shí)，與機(jī)械壓力成比例的電壓出現(xiàn)在晶體上。該電壓會(huì)導(dǎo)致晶體失真，失真的量將與施加的電壓成比例，并且還與施加在晶體上的交流電壓成正比，從而導(dǎo)致晶體以其固有頻率振動(dòng)。這種壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)或振蕩，可用來(lái)代替以前的振蕩器中的標(biāo)準(zhǔn)LC振蕩電路。

下圖展示了：石英晶體的等效電路是一個(gè)串聯(lián)的RLC電路。

▲ 石英晶體等效模型

該電路代表晶體的機(jī)械振動(dòng)，與電容Cp并聯(lián)，電容Cp代表與晶體的電連接。石英晶體振蕩器傾向于朝著其“串聯(lián)諧振”方向運(yùn)行。晶體的等效阻抗具有串聯(lián)諧振，其中Cs在晶體工作頻率下與電感Ls諧振。該頻率稱(chēng)為晶體串聯(lián)頻率?s。如上圖所示，除了Ls和Cs與并聯(lián)電容器Cp諧振外，還有一個(gè)第二頻率點(diǎn)是由于并聯(lián)諧振而建立的第二頻率點(diǎn)。

02、晶體振蕩器的應(yīng)用
晶體振蕩器不僅僅是給MCU提供時(shí)鐘，它在各個(gè)領(lǐng)域有各種應(yīng)用，下面簡(jiǎn)單介紹一些晶體振蕩器的應(yīng)用：

科爾皮茲晶體振蕩器

Colpitts振蕩器用于產(chǎn)生非常高頻率的正弦輸出信號(hào)。該振蕩器可以用作不同類(lèi)型的傳感器，例如溫度傳感器。使用Colpitts電路中的某些設(shè)備，我們可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度穩(wěn)定性和高頻。

▲ 科爾皮茲晶體振蕩器

阿姆斯壯晶體振蕩器

該電路一直流行到1940年代。這些在再生無(wú)線電接收機(jī)中被廣泛使用。在該輸入中，來(lái)自天線的射頻信號(hào)通過(guò)一個(gè)額外的繞組磁性耦合到振蕩電路中，并且減少了反饋，以在反饋環(huán)路中進(jìn)行增益控制。最后，它產(chǎn)生了一個(gè)窄帶射頻濾波器和放大器。在該晶體振蕩器中，LC諧振電路被反饋環(huán)路取代。

▲ 阿姆斯壯晶體振蕩器

皮爾斯晶體振蕩器

在這個(gè)簡(jiǎn)單的電路中，晶體確定振蕩頻率，并以其串聯(lián)諧振頻率工作，?s在輸出和輸入之間提供低阻抗路徑。諧振時(shí)有一個(gè)180 度的相移，使反饋為正。輸出正弦波的幅度限制為漏極端子的最大電壓范圍。

▲ 皮爾斯晶體振蕩器

03、無(wú)源晶振和有源晶振的區(qū)別
無(wú)源晶振和有源晶振的區(qū)別體現(xiàn)：

有源晶振：不依靠外部電路,通過(guò)自身產(chǎn)生震蕩。

無(wú)源晶振：就是一個(gè)晶體，無(wú)法通過(guò)自身產(chǎn)生震蕩。

有源晶振的缺陷：與無(wú)源晶振相比，有源晶振信號(hào)電平幾乎是不變的，價(jià)格方面也會(huì)更高。

上面描述的還是不清晰，那么我們先看下有源晶振的結(jié)構(gòu)圖：

▲ 有源晶振結(jié)構(gòu)圖

上圖中XT就是晶體振蕩器，其他的器件就是上文說(shuō)的外部電路，這樣只要給有源晶振供電，就可以產(chǎn)生時(shí)鐘波形。

而無(wú)源晶振，就是只有XT這個(gè)晶體振蕩器。以STM32為例，STM32集成了上圖除XT外的電路，所以我們可以接無(wú)源晶振。主要因?yàn)榫д癫缓眉?，外掛晶振比較方便。

我們可以直接看有源晶振的解剖圖，有晶片、IC、金線、基座等。

▲ 有源晶振解剖圖

下面看一下無(wú)源晶振的解剖圖，只看到了晶片。

▲ 無(wú)源晶振解剖圖

04、STM32外接晶振
以STM32F207為例，一般情況下外部高速時(shí)鐘(HSE)我們接25M的無(wú)源晶振。在用戶(hù)手冊(cè)中ST提供了兩種方式：

▲ HSE時(shí)鐘源

外部高速時(shí)鐘(HSE)可以通過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘源產(chǎn)生：

1、外部晶體/晶體振蕩器（晶體為無(wú)源晶振，晶體振蕩器為有源晶振）

2、外部用戶(hù)時(shí)鐘

在外部時(shí)鐘模式中，直接向OSC_IN引腳輸入25MHZ的時(shí)鐘信號(hào)，OSC_OUT處于高阻態(tài)。也就是說(shuō)，我們可以外接有源晶振，但是上文說(shuō)到，一般有源晶振價(jià)格都會(huì)高一點(diǎn)，很少有外接有源晶振的案例，推薦大家使用這一款無(wú)源晶振：SJK-7F25000MBZ1427F5（2016 SEAM; 25MHz; 20PF; 常溫頻差±10ppm; TC要求:-40/85℃），封裝更小，精度更準(zhǔn)，工作溫度范圍更寬。

上面我們說(shuō)到，STM32內(nèi)部集成了晶體振蕩器的外部電路，如果外接無(wú)源晶振，STM32理論上可以通過(guò)禁止部分電路，達(dá)到關(guān)閉外部高速時(shí)鐘(HSE)的目的。

事實(shí)上，在STM32F207的RCC時(shí)鐘控制寄存器(RCCclock control register)的16位HSEON，用來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉HSE振蕩器。

由軟件置1和清零。

由硬件清零，用于在進(jìn)入停機(jī)或待機(jī)模式時(shí)停止HSE 振蕩器。如果HSE 振蕩器直接或間接用于作為系統(tǒng)時(shí)鐘，則此位不可復(fù)位。

如上圖，在system_stm32f2xx.c文件中，345行就是開(kāi)啟HSE的，我們添加343行的死循環(huán)，再去測(cè)量晶振，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有波形。

還有另一種方法，我們使用Jlink的J-FlashARM工具，擦除全片數(shù)據(jù)，再次上電，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有波形。

這也就解答了一些萌新同學(xué)的問(wèn)題，硬件沒(méi)有問(wèn)題，測(cè)量晶振發(fā)現(xiàn)沒(méi)有起振，以為是硬件的問(wèn)題。其實(shí)下載一個(gè)正常運(yùn)行（使能了RCCclock control register的HSEON位）的demo，再去測(cè)量晶振波形就行了。