關(guān)于外部時(shí)鐘晶振頻率選擇方法

晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片），石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振；而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

晶振的使用

晶振，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低 的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶 振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄， 所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。

晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。

一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。

一般的晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無(wú)源晶振兩個(gè)大類(lèi)，無(wú)源晶振需要芯片內(nèi)部有振蕩器，并且晶振的信號(hào)電壓根據(jù)起振電路而定，允許不同的電壓，但無(wú)源晶振通常信號(hào)質(zhì)量和精度較差，需要精確匹配外圍電路（電感、電容、電阻等），如需更換晶振時(shí)要同時(shí)更換外圍的電路。有源晶振不需要芯片的內(nèi)部振蕩器，可以提供高精度的頻率基準(zhǔn)，信號(hào)質(zhì)量也較無(wú)源晶振要好。

每種芯片的手冊(cè)上都會(huì)提供外部晶振輸入的標(biāo)準(zhǔn)電路，會(huì)表明芯片的最高可使用頻率等參數(shù)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)要掌握。與計(jì)算機(jī)用CPU不同，單片機(jī)現(xiàn)在所能接收的晶振頻率相對(duì)較低，但對(duì)于一般控制電路來(lái)說(shuō)足夠了。

晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。無(wú)源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無(wú)源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以“無(wú)源晶振”這個(gè)說(shuō)法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。

諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。

晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振振蕩器。

石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅是比較小的，其振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高。

石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來(lái)起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC來(lái)共同作用來(lái)工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時(shí)一般需要提供3.3V電壓來(lái)維持工作。振蕩器比諧振器多了一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻（RR），諧振器沒(méi)有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，也是各商家競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要參數(shù)。

關(guān)于外部時(shí)鐘晶振頻率選擇

下圖是時(shí)鐘樹(shù)（Figure 8. Clock tree），它完全地列出來(lái)STM32這個(gè)芯片內(nèi)部各個(gè)模塊的時(shí)鐘來(lái)源以及相關(guān)的從屬關(guān)系。

在這個(gè)圖的正中央，有一個(gè)核心時(shí)鐘：SYSCLK，它最大頻率是72MHz，它的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)選擇器SW可以由PLLCLK提供（也可由HIS、HSE提供）。

PLL，毫無(wú)疑問(wèn)，它是用來(lái)倍頻的，可以*2，*3，*4……*16，它的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)選擇器PLLSRC可以由8MHz的高速內(nèi)部RC振蕩器經(jīng)過(guò)二分頻提供，也可由PLLXTPRE的選擇器輸出提供，

而PLLXTPRE的選擇器就接的是我們的8MHz的高速外部時(shí)鐘（直接接入或二分頻接入）。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于我們這個(gè)板子，若使用高速外部時(shí)鐘給STM32內(nèi)核提供時(shí)鐘源，一般以下兩條路：

① ［高速外部時(shí)鐘：8MHz］》》》［不分頻：8MHz］》》》》［PLL倍頻，2到16倍］》》》［SYSCLK，16MHz-128MHz］

②［高速外部時(shí)鐘：8MHz］》》》［二分頻：4MHz］》》》》［PLL倍頻，2到16倍］》》》［SYSCLK，8MHz-64MHz］

我們注意到，在8MHz外部時(shí)鐘給PLL之前若分頻的話，那么最大（×16）才64MHz，因此，我們都會(huì)給PLL以8MHz的時(shí)鐘源讓其倍頻，這樣能使它發(fā)揮到72MHz的高頻率

正因如此，系統(tǒng)時(shí)鐘總是8的倍數(shù)。

我們看這個(gè)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，立刻就能明白，不是必須得接8MHz的晶振的

① 高速外部時(shí)鐘源頻率范圍（P55-P58）：1MHz~25MHz（有源）；4MHz~16MHz（無(wú)源）

② PLL輸入時(shí)鐘源頻率范圍（P62）：1MHz-25MHz

③ PLL輸出時(shí)鐘源頻率范圍（P62）：16MHz~72MHz

我們自己設(shè)計(jì)板子的時(shí)候只要滿足它的范圍就可以了。

例如：我們可以選擇一個(gè)12MHz的無(wú)源晶體接到STM32芯片上。

在給STM32進(jìn)行時(shí)鐘配置的時(shí)候，

① 選擇PLLXTMRE的輸入源為12MHz/2 = 6MHz

② 選擇PLLSRC的輸入源為PLLXTMRE的輸出6MHz，

③ 在PLL內(nèi)進(jìn)行3到12倍的倍頻（最小16MHz，最大72MHz），

最終我們可選擇的頻率就有：18MHz、24MHz、30MHz、36MHz、42MHz、48MHz、54MHz、60MHz、66MHz、72MHz

圖示：