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我們常常看到一句話：晶振是單片機系統(tǒng)的“心臟”。 為什么這么說呢？單片機內(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，單片機壓根就無法工作；如果時鐘不對，單片機內(nèi)部就會混亂不堪，也無法正確的工作。 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，就是當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)較強的內(nèi)應力而發(fā)生變形，晶體在電場的作用下，其內(nèi)應力和形變都會發(fā)生變化，產(chǎn)生機械振動。當電場消失后，晶體的變形也會隨之消失。 當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，從而帶來了相當于180 °的相移。 那么在實際電路設計中，誰來提供穩(wěn)定的交變信號呢？就是單片機（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(Ceramic Resonator)、石英無源晶振(Crystal Resonator)、有源晶振(Oscillator/XO)、溫度補償晶振(TCXO)、預編程晶振。 陶瓷無源晶振：通過人工技術處理，將細微的粉末給予壓電效應后燃結成型，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，最高能達到±10ppm-300ppm，可運用到高精度儀器及設備中。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。 預編程晶振：把晶振參數(shù)，如頻率偏差、工作電壓、負載電容、頻率等提供給晶振廠家，通過電腦等設備編程，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，那么在實際應用中，我們選晶振時，應該關注晶振的哪些特性？ 一般情況下，我們需要根據(jù)自己的應用，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，需要關注下面這些參數(shù)： 1）標稱頻率：在晶振的外殼上可以找頻率，不同晶振對應不同的頻率，選擇多大頻率的晶振，取決于系統(tǒng)的要求，比如STM32F103RCT6單片機的HSE時鐘輸入典型值是8MHz，因此選擇相應8MHz頻率的晶振即可。 2）精度：指的是晶振的頻率相對于標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。 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)應用關注的比較多，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)實際情況進行選擇。 基本上所有的應用都需要晶振選型，比如在汽車電子應用中就涉及多個晶振，尤其是現(xiàn)在大火的ADAS。村田就曾總結過在ADAS中使用到的晶振，以及如何選型（以下視頻）： 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。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，然后應用工程師會直接把PCB送還。 對于晶振的振蕩穩(wěn)定性（起振余裕度（負阻）、激勵功率），頻率穩(wěn)定性（頻偏）都有相應的測試方法。拿振蕩頻率測試來說，需要頻譜分析儀、天線，按照下圖準備好測量設備： 測試時，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的峰值頻率。 文章來源：AMEYA360電子元器件采購網(wǎng)http://www.ameya360.com/hangye/108767.html |
