资深硬件工程师也未必知道的真相：晶振的标称频率全面揭密

Author: Jackie Long

有经验的工程师都曾经使用过晶体（也称无源晶振）或晶振（也称有源晶振），最经典的晶体应用电路就是51单片机最小系统，它产生单片机执行指令所必须的时钟频率信号，单片机的一切指令执行都是建立在这个基础上的，时钟信号频率越高，通常单片机的运行速度也就越快。

我们都知道，晶振都有一个标称频率（Normal Frequency） 参数，比如12M、8M、32768等等，也就是晶振元件规格书中所给出的频率，也是工程师在电路设计和元件选购时首要关注的参数，然而这个标称频率到底是什么呢？

有人说：这个标称频率是石英晶片的谐振频率，与石英晶片的具体尺寸有关！

好像有点道理哈，我们从头来看看。

将石英晶片按一定的形状进行切割后，再用两个电极板夹住就形成了无源晶振，其符号图如下所示：

下图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。

其中：C1为动态等效串联电容；

L1为动态等效串联电感；

R1为动态等效串联电阻，它是晶体内部摩擦性当量

C0为静态电容，相当于两个电极板之间的电容量；

这个等效电路有如下图所示的频响特性曲线：

当R1、L1、C1串联支路发生谐振的频率即串联谐振频率（Fr），此时容抗与感抗相互抵消，因此，支路相当于只有等效串联电阻R1。

这个频率是晶体的自然谐振频率，它在高稳晶振的设计中，是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数，其表达式如下所示：

但是这个频率Fr还不是我们在晶振规格书上看到的标称频率哦！

等效电路还有一个反谐振频率fL（并联谐振频率），此时串联支路呈现为感抗，相当于一个电感，如下图所示：

此时的频率如下图所示：

通常厂家的晶振元件数据手册给出的标称频率不是Fr或FL，实际的晶体元件应用于振荡电路中时，它一般还会与负载电容相联接，共同作用使晶体工作于Fr和FL之间的某个频率，这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定，通过改变电路的电抗条件，就可以在有限的范围内调节晶体频率。

当负载电容与晶体串联时，如下图所示：

串接的小电容CL可以使石英晶体的谐振频率在一个小范围内调整，此时新的负载谐振频率如下式所示：

其中，C1远远小于C0+CL

当负载电容与晶体并联时，如下图所示：

同样，并联的负载CL也可以小范围调整谐振频率，相应的负载谐振频率如下式：

从实际效果上看，对于给定的负载电容值，F'r与F'L两个频率是相同的，这个频率是晶体的绝大多数应用时所表现的实际频率，也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数，也就是本文最开头介绍的晶振标称频率。

关于晶振的匹配电容计算公式，可参考文章"硬件工程师面试概率最高的问题：晶振的匹配电容计算公式"

单片机晶振“问答篇”（上），19大单片机晶振问题全解答

晶振于今年算热门话题之一，单片机晶振不起振问题也因此得到更多关注。本文中，将为大家介绍单片机晶振不起振原因、解决方案以及为大家带来19大网友提出的有关单片机晶振问题，不妨来了解下吧。

一、单片机晶振不起振原因分析

遇到单片机晶振不起振是常见现象，那么引起晶振不起振的原因有哪些呢?

(1) PCB板布线错误;

(2) 单片机质量有问题;

(3) 晶振质量有问题;

(4) 负载电容或匹配电容与晶振不匹配或者电容质量有问题;

(5) PCB板受潮，导致阻抗失配而不能起振;

(6) 晶振电路的走线过长;

(7) 晶振两脚之间有走线;

(8) 外围电路的影响。

二、解决方案

(1) 排除电路错误的可能性，因此你可以用相应型号单片机的推荐电路进行比较。

(2) 排除外围元件不良的可能性，因为外围零件无非为电阻，电容，你很容易鉴别是否为良品。

(3) 排除晶振为停振品的可能性，因为你不会只试了一二个晶振。

(4) 试着改换晶体两端的电容，也许晶振就能起振了，电容的大小请参考晶振的使用说明。

(5) 在PCB布线时晶振电路的走线应尽量短且尽可能靠近IC，杜绝在晶振两脚间走线。

三、问答篇

1、单片机晶振电路中两个微调电容不对称会怎样?相差多少会使频率怎样变化?我在检测无线鼠标的接受模块时，发现其频率总是慢慢变化(就是一直不松探头的手，发现频率慢慢变小)晶振是新的!

答：电容不对称也不会引起频率的漂移，你说的频率漂移可能是因为晶振的电容的容量很不稳定引起的，你可以换了试，换两电容不难，要不就是你的晶振的稳定性太差了，或者你测量的方法有问题。

2、51单片机时钟电路用12MHZ的晶振时，电容的值是怎样得出来的?拿内部时钟电路来说明吧!

答：其实这两个电容没人能够解释清楚到底怎么选值，因为22pF实在是太小了。这个要说只能说和内部的振荡电路自身特性有关系，搭配使用，用来校正波形，没有人去深究它到底为什么就是这么大的值。

3、晶振为何被要求紧挨着IC，单片机晶振不起振?

答：晶振是通过电激励来产生固定频率的机械振动，而振动又会产生电流反馈给电路，电路接到反馈 后进行信号放大，再次用放大的电信号来激励晶振机械振动，晶振再将振动产生的电流反馈给电路，如此这般。当电路中的激励电信号和晶振的标称频率相同时，电路就能输出信号强大，频率稳定的正弦波。整形电路再将正弦波变成方波送到数字电路中供其使用。

问题在于晶振的输出能力有限，它仅仅输出以毫瓦为单位的电能量。在 IC(集成电路) 内部，通过放大器将这个信号放大几百倍甚至上千倍才能正常使用。

晶振和IC间一般是通过铜走线相连的，这根走线可以看成一段导线或数段导线，导线在切割磁力线的时候会产生电流，导线越长，产生的电流越强。

现实中，磁力线不常见，电磁波却到处都是，例如：无线广播发射、电视塔发射、手机通讯等等。晶振和IC之间的连线就变成了接收天线，它越长，接收的信号就 越强，产生的电能量就越强，直到接收到的电信号强度超过或接近晶振产生的信号强度时，IC内的放大电路输出的将不再是固定频率的方波了，而是乱七八糟的信 号，导致数字电路无法同步工作而出错。

所以，画PCB(电路板)的时候，晶振离它的放大电路(IC管脚)越近越好。

4、单片机晶振与速度的疑问，执行一条指令的周期不是由晶振决定的吗?那么比如51单片机和MSP430，给51接高速晶振，430接低速的，是不是51跑的要快?是不是速度单片机速度仅仅与晶振有关，关键是单片机能不能支持那么大的晶振?我的理解对吗?

答：每个单片机的速度是受到内部逻辑门电平跳变速度的影响。对于一个51，给它用更高的晶振，速度会快些。

但是对于高级的单片机就不一样了。高级单片机内部，一般都是有频率控制寄存器的，所以，简单的增加晶振，可能达到单片机的极限，导致跑飞。

5、单片机的运行速度和晶振大小的关系，若单片机的最高工作频率是40M，晶振是否可以选择24M或更高，但不超过40M，这样单片机的运行速度是否大增?长期在此工作频率下对单片机是否有不良影响?单片机对晶振的选择的原则是怎样的?

答：当然是有影响的，单片机的工作速度越快，功耗也越大，受干扰也会越厉害，总之最高能跑40M的，跑不超过40M的是没有问题的，只是对相关的技术(如PCB的设计元件的选取等)会高去很多。

6、请问：有什么方法可以确定某一款单片机在某一大小的晶振下是否能正常工作?

答：晶振好比单片机的心脏。晶振选择太高不太合适，具体晶振上限是多少，恐怕测不出来，只能按照人家单片机的要求，一般STC系列单片机上限是35M或40M，stc单凭上写的有，如STC11F16XE 35I-LQFP44G其中35I就是晶振最高35M的工业级芯片。

超过上限会出现什么样的问题，没有测试过，一般晶振选择12M的比较多，如果选择STC 1T指令的，就相当于12*12=144M的晶振。如果用于串口通信，建议选用11.0592M的或22.184M，选择晶振最主要还是参照人家的说明书。

7、4个AT89C51单片机能否用一个12M的晶振使其都正常工作?一个采用内部时钟方式，其余三个用外部方式，那我四个都用内部方式可以吗(将4个单片机都并联在一个晶振上)?

答：可以，其中一个正常接晶振，他的XTAL2输出接到另外三个的XTAL1输入上。

8、AT89C51单片机4兆的晶振能不能启动?

答：当然可以，看看datasheet吧，我估计1M的都可以。还有的单片机如2051，可能还可以低。台系日系有的可以到32.768kHz。

9、89c51单片机的复位电路中常采用12MHZ的晶振，实际上市场上稍小于12MHZ，为什么呢?

答：需要串口通讯时一般是用11.0582MHZ的，这样波特率才好算。用12MHZ的晶振，工作周期就容易计算。

10、单片机晶振上电不起振，但是手碰一下晶振就起振了，为什么?

答 ：看看晶振配的电容焊了没有，值有没有错误。

11、怎么判断单片机晶振是否起振呀?

答：最简单是用示波器，另外你可以看一下电源是否正常。

12、怎样判断单片机外部晶振有没有起振?我的STC89C52单片机本来是好好的后来不行了，我换了个晶振就好了。但是过了几个小时后又不行了，是怎么回事。还有就是怎样判断晶振是否起振?

答： 第一点：先换一块单片机试试，问题还在则排除单片机;第二点：可能是虚焊造成的，这点要注意;第三点：我用STC89C52也碰到过类似的问题，换了块晶振就OK了，好像STC起振不橡AT89S52那么顺。其实对于STC89C52可以直接看30脚(ALE)，接个灯，起振一下子就能看出来了。

13、我用msp430的单片机，可是外部的两个晶振总是无法起振，没用。请问是什么原因?线路连接是对的，32768HZ没有接外接电容，8M的晶振接56PF的电容。

答：32.768K的晶振接两个30P的电容试试，还有8M的晶振的电容也换成30P的。

14、MSP430单片机8MHz的晶振，计数器TAR增加一次，需要多少时间?

答：MSP430单片机的晶振频率可以自己设置的，是使用外部晶振还是内部振荡器做始终源，还有MCLK，SMCLK，ACLK的选择，分不分频等都有影响 我现在有点忘了，不过你可以看看文档，计数器是使用mclk，smclk，ACLK的哪一个，在判断是否分频设置，一般在1Mhz TAR加一次是1us，那么8M是1/8us自己算吧。

15、如果MSP430单片机不初始化晶振，那么单片机用什么作为时钟?DCO的频率大概是多少呢?

答：内部DCO，不同系列的DCO默认频率不同，要参看手册。

16、没有程序的空白单片机，外部晶振能起振吗?

答：没有内部晶振的单片机，外部晶振可以起振，如传统类MS51系列单片机。另外，有内部晶振的单片机，外部晶振不会起振，需要对外部晶振进行配置后才会起振，如果不对外部晶振进行配置仍使用内部晶振，如silicon lab系列c8051f**单片机。

17、dspic30f6014单片机能够烧写程序，却不能运行。晶振没有起振(换过了也没用)，复位电压测量为5v，电源正常，(是成熟产品，只是偶尔会出现这种情况)

答：第一、重新检讨振荡电路所用零件(晶振与电容)及晶振附近的pcb布局;第二、检查配置位是否正确。

18、为什么at89c52 P1.0输出2.5v电压，单片机好像未工作，晶振波形是不规则的正弦波可不可以?线路板没有达到预想效果，发光二极管一直亮，感觉还是单片机的问题，P1.0输出2.5v电压，看门狗用的X5045，不知是何原因?

答：将看门狗拿掉，暂时做成最小系统，既只有电源、8952、晶振和两只30P左右的电容。

a. 将P1.0口置1，测试该口的电压是否在2.5V以上;

b. 将P1.0口置0，测试改口电压是否约为0V。

是的话就是OK的，否则就要看看电源电压、晶振、8952了。电源电压是5+、-0.25V，且纹波一定要小

19、单片机测试晶振电压时会对工作状态有影响吗?

答：会有一点影响，对频率会有影响，严重的会导致晶振停振。因为万用表一加上去相当于在振荡电路上又并上或串上了分部电容电阻电感等，就影响到了原来电路的状态。

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