物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件方案的“心臟”_晶振詳解

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用晶振

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用晶振的原因主要可以歸納為以下幾點：

提供穩(wěn)定的時鐘信號

基礎功能：晶振在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的首要作用是提供穩(wěn)定的時鐘信號。這是CPU執(zhí)行指令所必需的，所有指令的執(zhí)行都建立在這個時鐘信號的基礎上。

同步性：晶振能夠確保各個設備之間的工作調(diào)度按時完成，保證整個系統(tǒng)的正常運行。通過提供精準的時鐘信號，晶振有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，避免數(shù)據(jù)丟失或錯位。

保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳市?/p>

數(shù)據(jù)采集：在物聯(lián)網(wǎng)設備中，晶振提供準確的時鐘基準，有助于實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)采集，確保數(shù)據(jù)采樣的準確性和可靠性。

時間同步：晶振提供的準確時鐘信號可以用于實現(xiàn)事件觸發(fā)和不同設備之間的時間同步。這對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多個設備的協(xié)同工作至關(guān)重要，確保各設備之間的工作協(xié)調(diào)一致。

支持低功耗設計

節(jié)能模式：某些類型的晶振（如32.768kHz晶振）在節(jié)能模式下可以長時間運行低功耗設備，有助于延長物聯(lián)網(wǎng)設備的電池使用壽命。

提升系統(tǒng)穩(wěn)定性

抗干擾能力：晶振在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有助于確保各個部件的時序完整性，防止信號干擾和失真情況的發(fā)生。這對于保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳市灾陵P(guān)重要。

適應多樣化需求

多樣化應用：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)涉及廣泛的應用領域，如智能家居、智慧城市、工業(yè)控制等。不同應用對晶振的要求也不同，如頻率穩(wěn)定性、功耗、尺寸等。因此，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要選擇適合自身需求的晶振產(chǎn)品。

技術(shù)發(fā)展趨勢

高頻高精度：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對晶振的頻率和精度要求也在不斷提高。高頻高精度的晶振產(chǎn)品能夠更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求。

小型化低功耗：為了適應物聯(lián)網(wǎng)設備的小型化和便攜化趨勢，晶振產(chǎn)品也在不斷向小型化、低功耗方向發(fā)展。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用晶振是為了提供穩(wěn)定的時鐘信號、保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳市?、支持低功耗設計、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性以及適應多樣化需求。晶振作為物聯(lián)網(wǎng)設備中的關(guān)鍵組件，對于保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳市跃哂胁豢商娲淖饔谩?/p>

本文會再為大家詳解電子元器件家族中的一員——晶振。

1.晶振原理

晶振具有壓電效應，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。

2.晶振分類

晶振可分為有源晶振和無源晶振。

2.1無源晶振：

（1）無源晶振為晶體。一般為2引腳的無極性器件(部分無源晶振還有無極性的固定引腳)。

（2）無源晶振一般需借助與負載電容形成的時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。具體的推薦電容一般晶振的技術(shù)規(guī)格書中有介紹。(如：32.768K的晶振搭配12.5PF的電容）

（3）無源晶振產(chǎn)生的為正弦波信號。用示波器測一個引腳與地之間的波形。

（4）無源晶振需特殊的引腳搭配。如：XTAL1和XTAL2指的是8051系單片機上常見的用于接“晶振”的兩個引腳。從原理上來說，這兩個引腳和MCU內(nèi)部一個反相器相連接。這個反相器與外部的“晶振”組成一個構(gòu)成一個皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。

（5）無源晶振最小為誤差為5PPM。

無源晶振電路圖

2.2有源晶振：

（1）有源晶振為振蕩器，有4個引腳。

（2）有源晶振不需要CPU的內(nèi)部振蕩器，信號穩(wěn)定，質(zhì)量較好，而且連接方式比較簡單。但價格相比無源晶振貴。

（3）有源晶振產(chǎn)生的信號為方波信號。（總有特例為正弦波信號）示波器測信號與GND之間。

（4）有源晶振供電便能產(chǎn)生一個時鐘信號。

（5）有源晶振誤差最小為0.1PPM。

有源晶振電路圖

3.常用特殊的晶振

3.1 關(guān)于32.768K晶振

32.768K的晶振常用于計時。常搭配12.5PF的電容。

T=1/32768。每震蕩32768次就是工作一秒。

32768是2的15次方。0x8000=32768。

將32768連接到一個16位的計數(shù)器，第16位每變化一次，正好就是1秒。

32768接的是計數(shù)器（計數(shù)器主要對脈沖的個數(shù)進行計數(shù)），所以沒有時鐘周期、機器周期、指令周期。

一些鐘表等常用32.768K的晶振原因：

32768為2的15次方，便于計算。

32768已經(jīng)屬于低頻產(chǎn)品，低于32768晶振體積會變大，搭配的負載電容也會變大。

對于數(shù)字電路，工作頻率越高，就有更高的電路消耗，不利于續(xù)航。

3.2 關(guān)于11.0592M晶振

11.0592M的晶振常用于做串口通信，容易設置波特率。

震蕩周期、機器周期、指令周期。

時鐘周期、振蕩周期、節(jié)拍周期

時鐘周期又叫做振蕩周期、節(jié)拍周期，定義為時鐘晶振頻率的倒數(shù)。時鐘周期是計算機中最基本的、最小的時間單位。在一個時鐘周期內(nèi)，CPU僅完成一個最基本的動作。例如晶振為12M，則時鐘周期為1/12us。又可以被定義為節(jié)拍。

機器周期

在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期（狀態(tài)周期）組成。比如，取值周期，取數(shù)周期。在80C51內(nèi)部，機器周期一般包括于12個時鐘周期。例如24M的晶振，機器周期為12/24M秒。

指令周期

指令周期是指取出并完成一條指令所需的時間，一般由若干個機器周期組成，分為單周期指令，雙周期指令和多周期指令。

對于一些簡單的的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

3.2 關(guān)于12M晶振

12M的晶振易計算，12M晶振一個機器周期為1US。

4.晶振分頻與倍頻

4.1分頻：

當原來的信號經(jīng)過n的周期，新的信號跳變一次，這樣新信號周期就是原信號的N倍,新信號頻率基于老頻率則叫N分頻。如震蕩周期與時鐘周期。

4.2倍頻：

與分頻相反，頻率是增大，當新頻率是之前頻率的N倍，則稱為N倍頻。倍頻是利用鎖相環(huán)（PLL）的原理進行頻率的增倍。如STM32單片機外接8M晶振，但是主頻卻能跑72M。

PPL電路原理：

一個晶振只有一個固有頻率，通過分頻，倍頻技術(shù)就可以擴展出很多頻率，使用靈活，不必每個頻率都要配一個對應的晶振。

5.晶振誤差

晶振誤差單位為PPM。

32.768KHZ，誤差為+10ppm 。則一天的誤差為：

10（PPM）*24(小時)*3600（一小時300秒）/100萬（PPM為百萬分之一）=0.864秒

一個32.768KHZ，誤差為+10ppm 的晶振，一天的時間誤差約為0.864秒。

供應商A：KDS

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

KDS晶振型號詳細分類_文檔之家

（2）主推型號1：1ZZNAE26000AB0L

對應的產(chǎn)品詳情介紹

大真空晶振型號1ZZNAE26000AB0L DSX211SH無源晶振,是目前市場常用封裝中體積最小的一款,具有超薄,超小,輕量化等優(yōu)勢特點,被廣泛用于無線通信設備,智能家居,藍牙,數(shù)碼電子.

電氣特性

研發(fā)設計注意使用事項

焊盤2腳有缺角，與通常的定位腳在1腳的產(chǎn)品情況不同

PCB 中晶體振蕩電路設計

這里希望通過 PCB 布局來最小化振蕩器和外部信號之間的耦合，因為高頻耦合會激發(fā)晶體振蕩器的高次諧波，晶振是干擾外部電路的噪聲源。

具體有以下幾點需要注意：

A. 晶體振蕩器靠近微控制器

短走線具有低互感和電容，長走線具有高互感和電容。使晶體靠近微控制器可以縮短走線，從而減少耦合。所以走線的長度盡可能短，但不能與其他信號線交叉。

B、振蕩器電路與高頻電路隔離開

路由非振蕩器信號時，高頻電路要遠離振蕩器電路。也可以考慮使用帶有通孔的銅跡線，圍繞著振蕩器電路，這將減少外部信號線和振蕩器之間的互感。

振蕩器電路與高頻電路隔離開

通常的做法是將振蕩器電路下方的接地層分開，僅在一點點連接分離的接地層，就在微控制器接地旁邊。這可以防止來自其他信號源的返回電流通過振蕩器使用的接地層。上圖的示例就是按照這種方法，只是沒有很明顯。

C、晶振靠近 CPU 芯片擺放，但要盡量遠離板邊。

因為內(nèi)部石英晶體的存在，由于外部沖擊或跌落容易損壞石英晶體，從而造成晶體不振蕩，在設計可靠的安裝電路時要考慮晶體，靠近 CPU 芯片的位置優(yōu)先放置遠離板塊的一面。

晶振放置圖

（圓柱晶振）外殼接地后，加一個與晶振形狀相似的長方形焊盤，讓晶振“平放”在這個焊盤上，并在焊盤的兩個長邊附近開一個孔（孔要落在焊盤上，最好用多層焊盤代替孔，兩個多層焊盤要接矩形焊盤），然后用銅線或其他裸線將晶振“箍”起來，銅線的兩端焊接在你開的兩個孔或焊盤上。這樣可以避免高溫焊接對晶振的損壞，保證良好的接地。

D、手工或機器焊接時，要注意焊接溫度

晶振對溫度敏感，焊接時溫度不宜過高，加熱時間盡量短。

焊接圖片

E、耦合電容應盡量靠近晶振的電源管腳放置

放置順序：根據(jù)功率流向，按電容值從小到大排列，電容最小的電容值最接近電源引腳。

F、晶振外殼接地

晶振外殼接地（如果接地影響負載電容的話，就不能接地），既可以從晶振向外輻射，也可以屏蔽外界信號對晶振的干擾。

G、不要在晶振下方布線，確保完全鋪設好地線

在晶振 300mil 范圍內(nèi)不要布線，以免晶振干擾其他布線、器件和層的性能。

H、時鐘信號的走線盡量短，線寬要大一些

時鐘信號的走線盡量短，線寬要大一些。在布線長度與熱源的距離之間找到平衡點。

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯(lián)中央庫 AM21EV5模組，鴿子定位器項目，XY1100 26M晶振

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

DKS 1ZZNAE26000AB0L

C253768_26MHZ7.3PF-40_+85℃_2018-09-21.PDF

供應商B: 嘉碩

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

TST_DM.pdf

（2）主推型號1: TX0395B

對應的產(chǎn)品詳情介紹

硬件參考設計

研發(fā)設計注意使用事項

PCB 中晶體振蕩電路設計

這里希望通過 PCB 布局來最小化振蕩器和外部信號之間的耦合，因為高頻耦合會激發(fā)晶體振蕩器的高次諧波，晶振是干擾外部電路的噪聲源。

具體有以下幾點需要注意：

A. 晶體振蕩器靠近微控制器

短走線具有低互感和電容，長走線具有高互感和電容。使晶體靠近微控制器可以縮短走線，從而減少耦合。所以走線的長度盡可能短，但不能與其他信號線交叉。

B、振蕩器電路與高頻電路隔離開

路由非振蕩器信號時，高頻電路要遠離振蕩器電路。也可以考慮使用帶有通孔的銅跡線，圍繞著振蕩器電路，這將減少外部信號線和振蕩器之間的互感。

振蕩器電路與高頻電路隔離開

通常的做法是將振蕩器電路下方的接地層分開，僅在一點點連接分離的接地層，就在微控制器接地旁邊。這可以防止來自其他信號源的返回電流通過振蕩器使用的接地層。上圖的示例就是按照這種方法，只是沒有很明顯。

C、晶振靠近 CPU 芯片擺放，但要盡量遠離板邊。

因為內(nèi)部石英晶體的存在，由于外部沖擊或跌落容易損壞石英晶體，從而造成晶體不振蕩，在設計可靠的安裝電路時要考慮晶體，靠近 CPU 芯片的位置優(yōu)先放置遠離板塊的一面。

晶振放置圖

（圓柱晶振）外殼接地后，加一個與晶振形狀相似的長方形焊盤，讓晶振“平放”在這個焊盤上，并在焊盤的兩個長邊附近開一個孔（孔要落在焊盤上，最好用多層焊盤代替孔，兩個多層焊盤要接矩形焊盤），然后用銅線或其他裸線將晶振“箍”起來，銅線的兩端焊接在你開的兩個孔或焊盤上。這樣可以避免高溫焊接對晶振的損壞，保證良好的接地。

D、手工或機器焊接時，要注意焊接溫度

晶振對溫度敏感，焊接時溫度不宜過高，加熱時間盡量短。

焊接圖片

E、耦合電容應盡量靠近晶振的電源管腳放置

放置順序：根據(jù)功率流向，按電容值從小到大排列，電容最小的電容值最接近電源引腳。

F、晶振外殼接地

晶振外殼接地（如果接地影響負載電容的話，就不能接地），既可以從晶振向外輻射，也可以屏蔽外界信號對晶振的干擾。

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯(lián)中央庫 AM21EV5模組，鴿子定位器項目，AT6558R 26M晶振

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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審核編輯 黃宇