聊一聊单片机系统的“心脏”晶振

我们常常看到一句话：晶振是单片机系统的“心脏”。

为什么这么说呢？单片机内部电路工作需要统一的节奏，类似于跑步打节拍，节奏对了才能有条不紊的各自行事。如果没有时钟，单片机压根就无法工作；如果时钟不对，单片机内部就会混乱不堪，也无法正确的工作。

晶振是如何产生时钟信号的？

在使用时，需要关注哪些参数？

还有哪些不为人知的秘密？

今天就来深挖一下晶振，看看它还是你认识的那个晶振吗。

晶振产生时钟信号的起源

其实我们工程师为了方便，缩写了晶振，全称则是 晶体谐振器 ，是由石英晶体片或陶瓷晶体片经过加工并镀上电极而做成的。

石英晶体或陶瓷晶体片有一个特殊的特性——压电效应，就是当我们在晶体上施加电压时，晶体中的晶格在电场力的作用下内部会出现较强的内应力而发生变形，晶体在电场的作用下，其内应力和形变都会发生变化，产生机械振动。当电场消失后，晶体的变形也会随之消失。

当我们给晶振通入一个稳定的交变信号，晶振就会产生稳定的机械振动，下图所示为晶振的符号和等效电路。

晶振两端施加的交变信号频率等于晶振谐振频率时，晶振的电抗为0呈现电阻特性。谐振频率也是晶振等效电路中C1,L1,R1串联支路的谐振频率，故也称 串联谐振频率 。

晶振的反谐振频率指的是整个等效电路的谐振频率也称并联谐振频率。当输入信号的频率接近并联谐振频率时，晶振的电抗趋于无穷大。

从Fa到 Fs之间的区域就是通常所谓的 “并联谐振区” 也是晶振正常工作的区域了。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180 °的相移。

那么在实际电路设计中，谁来提供稳定的交变信号呢？就是单片机（芯片）了。具体的参考电路如下图所示。通常皮尔斯振荡电路的晶振振荡电路，其实就是由单片机内部的反相器和反馈电阻，与外部的两个电容组成。有了芯片提供突变信号晶振就可以产生频率稳定的振荡信号了。

不同晶振的区别

上面简述的这部分晶振的特性，都是用来描述无源晶振（Crystal/Xtal）的，那晶振都有哪些分类呢？我们以村田的晶振为例，晶振的分类主要有陶瓷无源晶振(Ceramic Resonator)、石英无源晶振(Crystal Resonator)、有源晶振(Oscillator/XO)、温度补偿晶振(TCXO)、预编程晶振。

陶瓷无源晶振： 通过人工技术处理，将细微的粉末给予压电效应后燃结成型，制作成所需要产品的尺寸，且陶瓷频率受压电材料厚度决定，频率与厚度成正比关系，厚度越厚频率越大。陶瓷晶振的精度比石英晶振低，但是制作成本低、起振时间短。在一些消费类电子和汽车电子中，能看到陶瓷晶振的身影。像村田的CSTNR_G/CSTCR_G系列就是适用在汽车应用上，安全控制、车身控制，电池控制等等。

石英无源晶振： 利用原生的石英材料切割成不同形状加工制作，频率受切割的轴向、大小及厚度的影响产生不同的频率。石英晶振精度高，最高能达到±10ppm-300ppm，可运用到高精度仪器及设备中。例如村田的XRCGB25M000F1SBAR0，频率25MHz，精度±10ppm，换算成百分比就是±0.001%。

有源晶振： 一个完整的振荡器，里面除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。

预编程晶振： 把晶振参数，如频率偏差、工作电压、负载电容、频率等提供给晶振厂家，通过电脑等设备编程，将频点、精度、频差等些参数写入空白芯片。

晶振该如何选型

说完了晶振的种类，那么在实际应用中，我们选晶振时，应该关注晶振的哪些特性？

一般情况下，我们需要根据自己的应用，选择晶振的类型，比如是有源的还是无源的。如果是无源的话，需要关注下面这些参数：

1）标称频率： 在晶振的外壳上可以找频率，不同晶振对应不同的频率，选择多大频率的晶振，取决于系统的要求，比如STM32F103RCT6单片机的HSE时钟输入典型值是8MHz，因此选择相应8MHz频率的晶振即可。

2）精度： 指的是晶振的频率相对于标称值的最大允许偏差，一般用ppm来表示，即百万分之一，值越小精度越高。在村田的官网上，我们看到精度由初始频偏、温漂、老化三部分组成。

频率公差即初始频偏，由于生产制造时不可避免的系统误差而产生了晶振的频率偏差，频率温度特性即温漂大家很好理解，就是外界温度变化带来的频偏，原厂会保证在晶振工作范围内的最大频偏，而频率老化，车规应用关注的比较多，原厂会保证10-15年内的老化的频偏。

3）ESR 等效串联电阻： 晶振的内阻，和晶振的功耗有关系，如果ESR太高，功耗会增加，甚至无法起振。如果ESR越小，成本也会有所增加，因此可以根据实际情况进行选择。

基本上所有的应用都需要晶振选型，比如在汽车电子应用中就涉及多个晶振，尤其是现在大火的ADAS。

晶振测试方法

最后，我们再讲一讲晶振的出厂测试，就是厂商对晶振出厂测试。出厂测试的内容可就非常多了，包括频率偏差、负载电容、振荡频率、起振余裕度、激励功率等专业参数测试。像村田就可以提供IC匹配的免费增值服务。对于上述测试有需求的客户可以寄送到村田实验室做匹配，然后应用工程师会直接把PCB送还。此外村田还提供上门测试的服务，能够现场确认晶振的起振情况同时解答客户的疑问。对于晶振的振荡稳定性（起振余裕度（负阻）、激励功率），频率稳定性（频偏）都有相应的测试方法。

对于晶振的振荡稳定性（起振余裕度（负阻）、激励功率），频率稳定性（频偏）都有相应的测试方法。拿振荡频率测试来说，需要频谱分析仪、天线，按照下图准备好测量设备：

测试时，让天线尽可能靠近振荡电路，但不能触碰到振荡电路，然后就可以读取频谱分析仪响应的峰值频率。

如果你想学习关于晶振的指标参数专业的测试方法，可以下载文档：在“达尔闻说”回复： 晶振测试 。