晶振原理解析

工程师进阶笔记

关注、星标公众号，不错过精彩内容

m22zpubujtq64010478318.png

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。
% X8 K* j- w, \3 n5 F# Q
- N; R4 Z% O% \! I01压电效应
4 X: h4 M% ^6 W5 U
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。
( I# ?( M! `! C4 H; e- s  v  p+ |' |( u2 K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。
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。
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。
8 [) ~; ]9 A- M( ?下图展示了：石英晶体的等效电路是一个串联的RLC电路。
2 I  s0 c( I8 X# {8 F& v9 o

ibqj1blwplk64010478418.png

- A* S+ G( F/ Y- b2 `: E▲ 石英晶体等效模型
4 i0 D! ]# Y) X+ N) k
8 Q& z! n7 p# ~- @8 u* r; Z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。

; I8 ?2 S8 w' ]. R02晶体振荡器的应用
  U4 x, `2 v- M7 @* r& a
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：
7 L0 f* g& B+ a1 w$ v4 x科尔皮兹晶体振荡器
7 ]  L9 d7 g3 p; I; a3 E5 K4 v  e
1 m; Z5 R/ a( K% K& ?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。

nbofgidkaur64010478518.png

▲ 科尔皮兹晶体振荡器

" m' H* _2 l8 S) v4 e3 w" k阿姆斯壮晶体振荡器
+ Y' o, o% H4 ?! M; @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。
( f: a% H0 e% F9 ^0 }

werqu1acnwe64010478618.png

▲ 阿姆斯壮晶体振荡器
! K: W% K) i  e. M% v
/ X% A) c+ I) B% }/ U& s& n" _6 X皮尔斯晶体振荡器
; z3 ]0 a% l( o% [' b6 l& r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。

laysgfrtuip64010478718.png

( F( V% O6 J. b6 p▲ 皮尔斯晶体振荡器

, @1 B; e8 Y$ [5 T# r03无源晶振和有源晶振的区别

! w9 e5 J  u" S* c
无源晶振和有源晶振的区别体现：
; c5 g6 J/ m' y) ]+ ?有源晶振：不依靠外部电路,通过自身产生震荡。
) y: N+ A  V7 p9 M8 a# y& a0 X无源晶振：就是一个晶体振荡器，无法通过自身产生震荡。
7 I" {1 H4 n! @% o9 Y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。
- V  ]( w& A( V: O; L7 T9 `9 ^
: d3 \9 C7 w4 R7 D5 M! {& {" B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：
6 G* A4 }( i8 ]1 c1 {0 y9 D$ [
" Q2 e2 i/ K! N1 c

rnpxakjgkzr64010478818.jpg

▲ 有源晶振结构图

. J8 ?+ J9 E: j' t$ 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。
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。
, s" T8 [7 p) {( B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。
* U- a0 a: h) l! J) A

oajxur32s0j64010478918.png

h5q5vtpirye64010479018.png

▲ 有源晶振解剖图

. p* f4 M" A: a2 e# v下面看一下无源晶振的解剖图，只看到了晶振振荡器。

2wjykiiuveo64010479118.jpg

t5lp1pgugq064010479218.jpg

ti3sm0qgrcy64010479318.jpg

7 M, w6 x, L; R( ?) m! ?▲ 无源晶振解剖图，左右滑动查看更多
+ d9 }+ X/ Q/ S# I0 Y" |
04STM32外接晶振
! ]& b6 z  i# u# z0 s% w) {0 e
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：

2 @$ n" ]: ?- V% o6 N# }2 p; w: x

11g3cfupeno64010479418.png

. y- n; F4 b0 B9 f▲ HSE时钟源
. M# t# b0 j- `% |1 j, m
2 E1 q; U+ O( `1 B; c" J$ M外部高速时钟(HSE)可以通过两个时钟源产生：
+ \1 ?: ^2 z' \1 B, o5 ]  K1、外部晶体/陶瓷谐振器
2、外部用户时钟
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。
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。
2 q! y' v1 c4 c! w/ b2 t1 z+ 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。
7 m. {% R3 L/ \. N% k. h& Q: v

bcx1xb2ewga64010479518.png

由软件置1和清零。
/ D4 l5 ^; H- S* Q( N8 M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。
8 Y5 z5 l/ [) ~2 B- q9 k# S0 `( y

eni4dbqramj64010479618.png

7 R. q( ^9 [# o* Z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。
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。
# }8 e* a% w8 Q, O' I: `* ^7 p5 p

trdvg24aapb64010479718.png

* j/ z& C/ f; e8 v% }' V, d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。

& d3 {4 P, i( S5 o* c& E1 S; L

fducf5cbwzj64010479818.gif

o3osgflstc364010479919.gif

●设计一款兼容ST207和GD207的开发板
●MCU的心脏-晶振