晶振常見(jiàn)問(wèn)題分析 晶振頻率測(cè)量注意事項(xiàng)

OSC----晶振問(wèn)題分析

引言：CPU中的晶振提供時(shí)鐘周期，如果沒(méi)有晶振，就沒(méi)有時(shí)鐘周期，無(wú)法執(zhí)行程序代碼，芯片無(wú)法工作。時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，CPU的運(yùn)行速度也就越快，單片機(jī)的工作頻率范圍太高會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，單片機(jī)遇到問(wèn)題無(wú)法啟動(dòng)的時(shí)候，多數(shù)情況是石英晶振停振造成的。

1.溫度決定穩(wěn)定性

穩(wěn)定度越高，溫度范圍越寬，價(jià)格也就越高，在選擇晶振時(shí)，應(yīng)按照實(shí)際需求選擇穩(wěn)定度。如果晶振的工作溫度范圍是-20℃~70℃，在-40℃~85℃也可能會(huì)正常運(yùn)行，但是它在最低和最高溫度下工作的穩(wěn)定性會(huì)變差。

2.芯片的內(nèi)部RC振蕩電路和外部晶振

如果對(duì)產(chǎn)品的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度沒(méi)有過(guò)高的要求，具有內(nèi)部RC振蕩電路的MCU可以不需要另外增加外部振蕩器，使用內(nèi)部RC振蕩電路，功耗低，電路板更少的零件，不加外置晶振而閑置的引腳可以用在別的功能上，在設(shè)計(jì)上有更靈活的選擇。

但僅僅使用內(nèi)部振蕩電路，內(nèi)部振蕩電路對(duì)外界干擾很敏感，非常容易受到外界環(huán)境溫度的影響。使用外部石英晶體諧振器比內(nèi)部的RC振蕩器的頻率穩(wěn)定度要高上數(shù)倍，如果對(duì)穩(wěn)定度有需求，則需要外部晶體的加入。

使用外部晶體的另一個(gè)原因是頻率的選擇，晶體有很寬泛的頻率范圍可供選擇，然而內(nèi)部振蕩器通常只有一個(gè)頻率，諧波頻率是基頻的整數(shù)倍，3/5/7倍頻率的泛音晶體。

3.晶振失效考量因素

1#：負(fù)載電容

2#：頻率誤差

3#：負(fù)性阻抗

4#：激勵(lì)電平

5#：噪聲

6#：焊接，如果焊接操作不當(dāng)會(huì)對(duì)晶振造成損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成停振，或造成軟傷害，即使可以正常工作，在后面的使用中也會(huì)造成停振的現(xiàn)象。

7#：PCB布局，如果PCB板很大需要進(jìn)行切割，那么切割的邊緣會(huì)因?yàn)樽冃味a(chǎn)生機(jī)械張力，會(huì)對(duì)晶振產(chǎn)生影響，晶振需要遠(yuǎn)離PCB板邊緣的地方。

8#：如果是批量晶體損壞，可以考慮驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大問(wèn)題。

4.測(cè)量注意

無(wú)論是正弦波還是方波，只有使用正確的方法，才能準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)，得出的結(jié)論才會(huì)有意義，晶振的標(biāo)稱頻率測(cè)量步驟如下：

1#：為了提高信號(hào)保真度，使用探頭標(biāo)配的接地彈簧代替接地鱷魚(yú)夾就近接地。

2#：將示波器通道設(shè)置為交流耦合，10X檔位，確保晶振主板上電運(yùn)行后，拔掉探頭的套子，露出探針。將探頭夾子接到主板地線即供電負(fù)極端，探針針尖接觸到晶振的其中一個(gè)引腳。

3#：調(diào)節(jié)示波器的垂直檔位和時(shí)基，使波形至少一個(gè)周期完整顯示于屏幕中，如圖8-1所示此晶振頻率為23.995MHZ，占空比為53.11%（標(biāo)準(zhǔn)在45%-55%）。

圖8-1：無(wú)源晶振輸出非標(biāo)正弦波形

帶寬選擇

當(dāng)晶振的輸出波形是方波時(shí)，一般上升沿比較陡峭且包含了較多的高頻信號(hào)，帶寬是示波器最重要的方面，因?yàn)樗鼪Q定了可用的頻率范圍。只有有足夠的帶寬，示波器才能準(zhǔn)確地呈現(xiàn)信號(hào)，示波器不顯示其可用范圍之外的信號(hào)，理論值是帶寬是被測(cè)信號(hào)頻率的2倍，實(shí)際測(cè)試方波時(shí)帶寬應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率的10倍。

如果有源晶振把整形電路做在有源晶振里面了的話，輸出就是方波，但很多時(shí)候在示波器上看到的還是波形不太好的正弦波，就是由于示波器的帶寬不夠。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器測(cè)量，顯示的是正弦波，這是由于方波的傅里葉分解為基頻和奇次諧波的疊加，帶寬不夠的話，就只剩下基頻20MHz和60MHz的諧波，所以顯示正弦波。完美的再現(xiàn)方波需要至少10倍的帶寬，5倍的帶寬只能算是勉強(qiáng)，所以需要至少100M的示波器。

擋位選擇

晶振的輸出邊沿一般比較陡，上升時(shí)間較短，實(shí)質(zhì)是晶振的輸出中包含了較多的高頻分量，因此應(yīng)該將其當(dāng)作高頻信號(hào)來(lái)看待。探頭×1擋的帶寬有限制，而探頭×10擋是全帶寬開(kāi)啟的，因此必須選用×10擋進(jìn)行測(cè)量。

另一方面，晶振對(duì)電容負(fù)載比較敏感，當(dāng)使用×1擋時(shí)，探頭電容相對(duì)較大，相當(dāng)于一個(gè)很重的負(fù)載并聯(lián)在晶振電路中，容易導(dǎo)致電路停振而得不出正確的測(cè)量結(jié)果，因此我們使用10X檔的探頭更佳，此時(shí)探頭內(nèi)的電容相對(duì)變小，可以減小測(cè)試引入的負(fù)載效應(yīng)，測(cè)量出來(lái)的晶振波形才是準(zhǔn)確的。

小結(jié)：

在用示波器觀察晶振引腳上的波形時(shí)，如果在屏幕上看不到晶振波形或是波形的特征不正確，波形不太好的正弦波，要么是帶寬不夠，要么就是沒(méi)有使用探頭×10擋造成的。

5.無(wú)源晶振電路經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題

不起振

晶振的欠激勵(lì)現(xiàn)象，原因在于激勵(lì)功率不夠或起振時(shí)間太長(zhǎng)，這種現(xiàn)象通常表現(xiàn)為上電復(fù)位后晶振不工作或是低功耗模式下晶振不工作，但是敲擊一下晶振又會(huì)正常起振。

解決方法是選擇能耗小的晶體，同時(shí)在數(shù)據(jù)手冊(cè)允許范圍內(nèi)減少外接電容值，縮短起振時(shí)間，電容取值可以不對(duì)等。

頻率偏大

頻率偏大為過(guò)激勵(lì)現(xiàn)象，用示波器可以觀察到輸出波形的波峰和波谷被削平，此時(shí)晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)，應(yīng)在芯片相關(guān)腳上串接電阻調(diào)整至輸出波形清晰完整。