晶振原理解析

工程师进阶笔记

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! S: B! v4 N- ?0 Y, d前几天我写了一篇《MCU的心脏-晶振》，部分同学表示，读后还是对有源晶振和无源晶振的区别并没有深入理解，觉得只是科普了晶振的类别和参数，下文将进一步讲解晶振的原理，以及晶振和STM32的关系。
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; Z( B1 Z& k" [* g01压电效应
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压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
正压电效应：当外力去掉后，电介质又会恢复到不带电的状态。
6 Q6 A5 p8 N. x" r. F逆压电效应：当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失。
- a- W0 T6 v. l当在晶体表面上施加机械压力时，与机械压力成比例的电压出现在晶体上。该电压会导致晶体失真，失真的量将与施加的电压成比例，并且还与施加在晶体上的交流电压成正比，从而导致晶体以其固有频率振动。这种压电效应会产生机械振动或振荡，可用来代替以前的振荡器中的标准LC振荡电路。
* j/ f+ W3 `* w( X& ^下图展示了：石英晶体的等效电路是一个串联的RLC电路。
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/ E2 B1 U% p8 b0 o▲ 石英晶体等效模型

0 ]6 e  Z7 s# Y+ u6 ?6 ^该电路代表晶体的机械振动，与电容Cp并联，电容Cp代表与晶体的电连接。石英晶体振荡器倾向于朝着其“串联谐振”方向运行。晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体串联频率?s。如上图所示，除了Ls和Cs与并联电容器Cp谐振外，还有一个第二频率点是由于并联谐振而建立的第二频率点。
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02晶体振荡器的应用

) |6 D8 L0 _. d( m; @6 t, z3 i/ c晶体振荡器不仅仅是给MCU提供时钟，它在各个领域有各种应用，下面简单介绍一些晶体振荡器的应用：
科尔皮兹晶体振荡器
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Colpitts振荡器用于产生非常高频率的正弦输出信号。该振荡器可以用作不同类型的传感器，例如温度传感器。使用Colpitts电路中的某些设备，我们可以实现更高的温度稳定性和高频。
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( Q- x/ ^, {$ c8 ~& U" w) ~▲ 科尔皮兹晶体振荡器

' ]/ k  Q0 ]1 f' L! K& a. x阿姆斯壮晶体振荡器
) U1 E* \7 m3 d4 \7 q该电路一直流行到1940年代。这些在再生无线电接收机中被广泛使用。在该输入中，来自天线的射频信号通过一个额外的绕组磁性耦合到振荡电路中，并且减少了反馈，以在反馈环路中进行增益控制。最后，它产生了一个窄带射频滤波器和放大器。在该晶体振荡器中，LC谐振电路被反馈环路取代。
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  A% V. F/ S6 M  }; l3 D0 ?▲ 阿姆斯壮晶体振荡器
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( a: Z# C8 m; {5 Y% i7 w/ D5 k皮尔斯晶体振荡器
在这个简单的电路中，晶体确定振荡频率，并以其串联谐振频率工作，?s在输出和输入之间提供低阻抗路径。谐振时有一个180 度的相移，使反馈为正。输出正弦波的幅度限制为漏极端子的最大电压范围。
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▲ 皮尔斯晶体振荡器
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03无源晶振和有源晶振的区别
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5 f+ E* w+ G4 V* r无源晶振和有源晶振的区别体现：
! b  b6 H8 M# s$ r, J, N有源晶振：不依靠外部电路,通过自身产生震荡。
  }* t5 C  m4 ~, Y/ n8 V无源晶振：就是一个晶体振荡器，无法通过自身产生震荡。
有源晶振的缺陷：与无源晶振相比，有源晶振信号电平几乎是不变的，价格方面也会更高。

上面描述的还是不清晰，那么我们先看下有源晶振的结构图：
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▲ 有源晶振结构图

' k9 H* S8 a( U- P1 ^/ X$ r上图中XT就是晶体振荡器，其他的器件就是上文说的外部电路，这样只要给有源晶振供电，就可以产生时钟波形。
- j3 R- A* Y# n1 S! V而无源晶振，就是只有XT这个晶体振荡器。以STM32为例，STM32集成了上图除XT外的电路，所以我们可以接无源晶振。主要因为晶振不好集成，外挂晶振比较方便。
( f" }  }/ t; O我们可以直接看有源晶振的解剖图，可以看到晶体振荡器和外部电路。

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% X6 E+ s2 F3 H' B3 S▲ 有源晶振解剖图
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下面看一下无源晶振的解剖图，只看到了晶振振荡器。
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" f! B+ l: [1 f6 e▲ 无源晶振解剖图，左右滑动查看更多
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* d9 V) E! I0 _0 R( k) W04STM32外接晶振

6 ^% S& O) o+ E, G! y以STM32F207为例，一般情况下外部高速时钟(HSE)我们接25M的无源晶振。在用户手册中ST提供了两种方式：
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+ E  ]1 m; M8 e! H! `7 ^- x▲ HSE时钟源
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9 t2 P! [" J  N3 D& K/ o外部高速时钟(HSE)可以通过两个时钟源产生：
1、外部晶体/陶瓷谐振器
2、外部用户时钟
# i7 I( M) c$ G5 }" g; `: E在外部时钟模式中，直接向OSC_IN引脚输入25MHZ的时钟信号，OSC_OUT处于高阻态。也就是说，我们可以外接有源晶振，但是上文说到，一般有源晶振价格都会高一点，很少有外接有源晶振的案例。
) w( d9 x$ u* n, [上面我们说到，STM32内部集成了晶体振荡器的外部电路，如果外接无源晶振，STM32理论上可以通过禁止部分电路，达到关闭外部高速时钟(HSE)的目的。
$ t2 E- _' k; A5 c. |事实上，在STM32F207的RCC时钟控制寄存器(RCCclock control register)的16位HSEON，用来打开或关闭HSE振荡器。
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0 B0 ^$ F7 F5 x9 i) E% A$ R由软件置1和清零。
7 s8 G+ _* S2 Z0 u. I' R0 B由硬件清零，用于在进入停机或待机模式时停止HSE 振荡器。如果HSE 振荡器直接或间接用于作为系统时钟，则此位不可复位。
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- T0 F- J4 W/ [& y! v9 U: W" E如上图，在system_stm32f2xx.c文件中，345行就是开启HSE的，我们添加343行的死循环，再去测量晶振，发现没有波形。
0 r+ r; C' R, v3 E还有另一种方法，我们使用Jlink的J-FlashARM工具，擦除全片数据，再次上电，发现没有波形。

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! ?; q. e) M9 L' }这也就解答了一些萌新同学的问题，硬件没有问题，测量晶振发现没有起振，以为是硬件的问题。其实下载一个正常运行（使能了RCCclock control register的HSEON位）的demo，再去测量晶振波形就行了。

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% e1 h8 Q5 N* T7 q9 m●设计一款兼容ST207和GD207的开发板
& ]: ^- I( _3 I2 S1 F7 ]2 M, c) j●MCU的心脏-晶振