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)奏對了才能有條不紊的各自行事。如果沒有時鐘，單片機(jī)壓根就無法工作；如果時鐘不對，單片機(jī)內(nèi)部就會混亂不堪，也無法正確的工作。

晶振是如何產(chǎn)生時鐘信號的？

在使用時，需要關(guān)注哪些參數(shù)？

還有哪些不為人知的秘密？

今天就來深挖一下晶振，看看它還是你認(rèn)識的那個晶振嗎。

晶振產(chǎn)生時鐘信號的起源

其實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)過加工并鍍上電極而做成的。

石英晶體或陶瓷晶體片有一個特殊的特性——壓電效應(yīng)，就是當(dāng)我們在晶體上施加電壓時，晶體中的晶格在電場力的作用下內(nèi)部會出現(xiàn)較強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生變形，晶體在電場的作用下，其內(nèi)應(yīng)力和形變都會發(fā)生變化，產(chǎn)生機(jī)械振動。當(dāng)電場消失后，晶體的變形也會隨之消失。

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

晶振兩端施加的交變信號頻率等于晶振諧振頻率時，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等效電路的諧振頻率也稱并聯(lián)諧振頻率。當(dāng)輸入信號的頻率接近并聯(lián)諧振頻率時，晶振的電抗趨于無窮大。

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，從而帶來了相當(dāng)于180 °的相移。

那么在實際電路設(shè)計中，誰來提供穩(wěn)定的交變信號呢？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，與外部的兩個電容組成。有了芯片提供突變信號晶振就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的振蕩信號了。

不同晶振的區(qū)別

上面簡述的這部分晶振的特性，都是用來描述無源晶振（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源晶振(Ceram ic Resonator)、石英無源晶振(Crystal Resonator)、有源晶振(Oscillator/XO)、溫度補(bǔ)償晶振(TCXO)、預(yù)編程晶振。

陶瓷無源晶振： 通過人工技術(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、起振時間短。在一些消費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，通過電腦等設(shè)備編程，將頻點、精度、頻差等些參數(shù)寫入空白芯片。

晶振該如何選型

說完了晶振的種類，那么在實際應(yīng)用中，我們選晶振時，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源的。如果是無源的話，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于標(biāo)稱值的最大允許偏差，一般用ppm來表示，即百萬分之一，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的頻偏，原廠會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，功耗會增加，甚至無法起振。如果ESR越小，成本也會有所增加，因此可以根據(jù)實際情況進(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)用中就涉及多個晶振，尤其是現(xiàn)在大火的ADAS。

晶振測試方法

最后，我們再講一講晶振的出廠測試，就是廠商對晶振出廠測試。出廠測試的內(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、激勵功率等專業(yè)參數(shù)測試。像村田就可以提供IC匹配的免費增值服務(wù)。對于上述測試有需求的客戶可以寄送到村田實驗室做匹配，然后應(yīng)用工程師會直接把PCB送還。此外村田還提供上門測試的服務(wù)，能夠現(xiàn)場確認(rèn)晶振的起振情況同時解答客戶的疑問。對于晶振的振蕩穩(wěn)定性（起振余裕度（負(fù)阻）、激勵功率），頻率穩(wěn)定性（頻偏）都有相應(yīng)的測試方法。

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