MCU晶振匹配电容的计算

描述

人生没有白走的路,每一步都算数。

1 前言

很多硬件面试官都会问一些"看似比较偏"的技术问题,比如,晶振的匹配电容计算方法。电工阿Q往往一脸茫然。

然而,看似偏的技术问题其实并不是真正的偏,是因为真正理解的人比较少。真正有动力去理解此类问题。

电工阿Q肯定说:我就是不会这个计算公式,也不需要知道这个知识,但我的水平依然还是嘎嘎厉害,你把我咋滴?

其实,这就是普通工程师与优秀工程师之间的区别!有太多的东西实际应用起来差别并不大,优秀工程总会比普通工程师要懂得多一些,比如晶体,51、AVR、STC、PIC、STM32等单片机典型应用电路一大堆,照着画原理图就是了,无论是大牛还是菜鸟,使用起来大家都一样!

但事实是:

1%的那部分知识就能决定你的技术层次,而其它99%的知识大多数地球人都知道。

大多数人的工作内容都是很相似的,然而能解决其它人所不能解决的人,才是公司最需要的!

换言之,从面试单位的角度判断,如果你理解某个"看似很偏"的技术问题,从概率上来讲,你的水平比那些不理解的工程师要高很多(当然,万事无绝对,也许你走狗屎运恰好知道这个知识点,而其它都不知道,呵呵哒)。

唠叨这么多,马上进入正题

2 分析

一般单片机都会有这样的电路,如下图。晶振的两个引脚与芯片(如单片机)内部的反相器相连接,再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2,组成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)。

mcu

上图中,U1为增益很大的反相放大器,CL1、CL2为匹配电容。匹配电容是指晶振要正常震荡所需要的电容。一般外接电容,是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。要求高的场合还要考虑芯片输入端的对地电容。一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍。这样并联起来就接近负载电容了。

CL1和CL2是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点。以接地点为参考点,输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡,它们会稍微影响振荡频率,主要用与微调频率和波形,并影响幅度。

X1是晶体,相当于电容三点式电路里面的电感。如下图:

mcu

电容三点式LC振荡器交流等效电路

R1是反馈电阻(一般≥1MΩ),它使反相器在振荡初始时处于线性工作区,R2与匹配电容组成网络,提供180度相移,同时起到限制振荡幅度,防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。

这里涉及到晶振的一个非常重要的参数,即负载电容CL(Load capacitance),

它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,与晶体一起决定振荡器电路的工作频率,通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。负载电容的公式如下所示:

mcu

其中,

个管脚间的寄生电容(Shunt Capacitance)。

CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2,即CD=CPCB+CO+CL2。

CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1,即CG=CPCB+CI+CL1。

一般CS为1pF左右,CI与CO一般为几个皮法,具体可参考芯片或晶振的数据手册。

举例,比如规格书上的负载电容值为CL=18pF,假设CS=0.8pF,CI=CO=5pF,CPCB=4pF;

带入公式可得CD=CG=34.4pF,计算出来的匹配电容值CL1=CL2=25pF。3 注意事项

如果实际的负载电容配置不当,不仅会引起线路参考频率的误差.一般情况下,增大负载电容会使振荡频率下降,而减小负载电容会使振荡频率升高。

还会在如发射接收电路上,使晶振的振荡幅度下降(不在峰点),影响混频信号的信号强度与信噪。当波形出现削峰,畸变时,可通过增加负载电阻调整(几十K到几百K)。要稳定波形时并联一个1M左右的反馈电阻。

标称频率相同的晶振,负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率,一个是串联谐振晶振的低负载电容晶振:另一个为并联振晶振的高负载电容晶振。所以,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常。

4 结语

好了,你现在可以把面试官KO了!

本文与家人们分享了电工阿Q在华为面试过程中遇到的一道题目,希望家人们呐,能通过本文能够掌握MCU晶振匹配电容的计算。一步一步,从此走上人生巅峰!

审核编辑:汤梓红

 

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