聊一聊單片機(jī)系統(tǒng)的“心臟”晶振

我們常常看到一句話：晶振是單片機(jī)系統(tǒng)的“心臟”。

為什么這么說(shuō)呢？單片機(jī)內(nèi)部電路工作需要統(tǒng)一的節(jié)奏，類似于跑步打節(jié)拍，節(jié)奏對(duì)了才能有條不紊的各自行事。如果沒(méi)有時(shí)鐘，單片機(jī)壓根就無(wú)法工作；如果時(shí)鐘不對(duì)，單片機(jī)內(nèi)部就會(huì)混亂不堪，也無(wú)法正確的工作。

晶振是如何產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的？

在使用時(shí)，需要關(guān)注哪些參數(shù)？

還有哪些不為人知的秘密？

今天就來(lái)深挖一下晶振，看看它還是你認(rèn)識(shí)的那個(gè)晶振嗎。

晶振產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的起源

其實(shí)我們工程師為了方便，縮寫了晶振，全稱則是 晶體諧振器 ，是由石英晶體片或陶瓷晶體片經(jīng)過(guò)加工并鍍上電極而做成的。

石英晶體或陶瓷晶體片有一個(gè)特殊的特性——壓電效應(yīng)，就是當(dāng)我們?cè)诰w上施加電壓時(shí)，晶體中的晶格在電場(chǎng)力的作用下內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生變形，晶體在電場(chǎng)的作用下，其內(nèi)應(yīng)力和形變都會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)消失后，晶體的變形也會(huì)隨之消失。

當(dāng)我們給晶振通入一個(gè)穩(wěn)定的交變信號(hào)，晶振就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)，下圖所示為晶振的符號(hào)和等效電路。

晶振兩端施加的交變信號(hào)頻率等于晶振諧振頻率時(shí)，晶振的電抗為0呈現(xiàn)電阻特性。諧振頻率也是晶振等效電路中C1,L1,R1串聯(lián)支路的諧振頻率，故也稱 串聯(lián)諧振頻率 。

晶振的反諧振頻率指的是整個(gè)等效電路的諧振頻率也稱并聯(lián)諧振頻率。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率接近并聯(lián)諧振頻率時(shí)，晶振的電抗趨于無(wú)窮大。

從Fa到 Fs之間的區(qū)域就是通常所謂的 “并聯(lián)諧振區(qū)” 也是晶振正常工作的區(qū)域了。在此區(qū)域晶振呈電感特性，從而帶來(lái)了相當(dāng)于180 °的相移。

那么在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，誰(shuí)來(lái)提供穩(wěn)定的交變信號(hào)呢？就是單片機(jī)（芯片）了。具體的參考電路如下圖所示。通常皮爾斯振蕩電路的晶振振蕩電路，其實(shí)就是由單片機(jī)內(nèi)部的反相器和反饋電阻，與外部的兩個(gè)電容組成。有了芯片提供突變信號(hào)晶振就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的振蕩信號(hào)了。

不同晶振的區(qū)別

上面簡(jiǎn)述的這部分晶振的特性，都是用來(lái)描述無(wú)源晶振（Crystal/Xtal）的，那晶振都有哪些分類呢？我們以村田的晶振為例，晶振的分類主要有陶瓷無(wú)源晶振(Ceramic Resonator)、石英無(wú)源晶振(Crystal Resonator)、有源晶振(Oscillator/XO)、溫度補(bǔ)償晶振(TCXO)、預(yù)編程晶振。

陶瓷無(wú)源晶振： 通過(guò)人工技術(shù)處理，將細(xì)微的粉末給予壓電效應(yīng)后燃結(jié)成型，制作成所需要產(chǎn)品的尺寸，且陶瓷頻率受壓電材料厚度決定，頻率與厚度成正比關(guān)系，厚度越厚頻率越大。陶瓷晶振的精度比石英晶振低，但是制作成本低、起振時(shí)間短。在一些消費(fèi)類電子和汽車電子中，能看到陶瓷晶振的身影。像村田的CSTNR_G/CSTCR_G系列就是適用在汽車應(yīng)用上，安全控制、車身控制，電池控制等等。

石英無(wú)源晶振： 利用原生的石英材料切割成不同形狀加工制作，頻率受切割的軸向、大小及厚度的影響產(chǎn)生不同的頻率。石英晶振精度高，最高能達(dá)到±10ppm-300ppm，可運(yùn)用到高精度儀器及設(shè)備中。例如村田的XRCGB25M000F1SBAR0，頻率25MHz，精度±10ppm，換算成百分比就是±0.001%。

有源晶振： 一個(gè)完整的振蕩器，里面除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件。

預(yù)編程晶振： 把晶振參數(shù)，如頻率偏差、工作電壓、負(fù)載電容、頻率等提供給晶振廠家，通過(guò)電腦等設(shè)備編程，將頻點(diǎn)、精度、頻差等些參數(shù)寫入空白芯片。

晶振該如何選型

說(shuō)完了晶振的種類，那么在實(shí)際應(yīng)用中，我們選晶振時(shí)，應(yīng)該關(guān)注晶振的哪些特性？

一般情況下，我們需要根據(jù)自己的應(yīng)用，選擇晶振的類型，比如是有源的還是無(wú)源的。如果是無(wú)源的話，需要關(guān)注下面這些參數(shù)：

1）標(biāo)稱頻率： 在晶振的外殼上可以找頻率，不同晶振對(duì)應(yīng)不同的頻率，選擇多大頻率的晶振，取決于系統(tǒng)的要求，比如STM32F103RCT6單片機(jī)的HSE時(shí)鐘輸入典型值是8MHz，因此選擇相應(yīng)8MHz頻率的晶振即可。

2）精度： 指的是晶振的頻率相對(duì)于標(biāo)稱值的最大允許偏差，一般用ppm來(lái)表示，即百萬(wàn)分之一，值越小精度越高。在村田的官網(wǎng)上，我們看到精度由初始頻偏、溫漂、老化三部分組成。

頻率公差即初始頻偏，由于生產(chǎn)制造時(shí)不可避免的系統(tǒng)誤差而產(chǎn)生了晶振的頻率偏差，頻率溫度特性即溫漂大家很好理解，就是外界溫度變化帶來(lái)的頻偏，原廠會(huì)保證在晶振工作范圍內(nèi)的最大頻偏，而頻率老化，車規(guī)應(yīng)用關(guān)注的比較多，原廠會(huì)保證10-15年內(nèi)的老化的頻偏。

3）ESR 等效串聯(lián)電阻： 晶振的內(nèi)阻，和晶振的功耗有關(guān)系，如果ESR太高，功耗會(huì)增加，甚至無(wú)法起振。如果ESR越小，成本也會(huì)有所增加，因此可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

基本上所有的應(yīng)用都需要晶振選型，比如在汽車電子應(yīng)用中就涉及多個(gè)晶振，尤其是現(xiàn)在大火的ADAS。

晶振測(cè)試方法

最后，我們?cè)僦v一講晶振的出廠測(cè)試，就是廠商對(duì)晶振出廠測(cè)試。出廠測(cè)試的內(nèi)容可就非常多了，包括頻率偏差、負(fù)載電容、振蕩頻率、起振余裕度、激勵(lì)功率等專業(yè)參數(shù)測(cè)試。像村田就可以提供IC匹配的免費(fèi)增值服務(wù)。對(duì)于上述測(cè)試有需求的客戶可以寄送到村田實(shí)驗(yàn)室做匹配，然后應(yīng)用工程師會(huì)直接把PCB送還。此外村田還提供上門測(cè)試的服務(wù)，能夠現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)晶振的起振情況同時(shí)解答客戶的疑問(wèn)。對(duì)于晶振的振蕩穩(wěn)定性（起振余裕度（負(fù)阻）、激勵(lì)功率），頻率穩(wěn)定性（頻偏）都有相應(yīng)的測(cè)試方法。

對(duì)于晶振的振蕩穩(wěn)定性（起振余裕度（負(fù)阻）、激勵(lì)功率），頻率穩(wěn)定性（頻偏）都有相應(yīng)的測(cè)試方法。拿振蕩頻率測(cè)試來(lái)說(shuō)，需要頻譜分析儀、天線，按照下圖準(zhǔn)備好測(cè)量設(shè)備：

測(cè)試時(shí)，讓天線盡可能靠近振蕩電路，但不能觸碰到振蕩電路，然后就可以讀取頻譜分析儀響應(yīng)的峰值頻率。

如果你想學(xué)習(xí)關(guān)于晶振的指標(biāo)參數(shù)專業(yè)的測(cè)試方法，可以下載文檔：在“達(dá)爾聞?wù)f”回復(fù)： 晶振測(cè)試 。