单片机系统设计晶振电路设计

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前天讲解了单片机系统正常工作所需要的基本配置，也就是最小系统。单片机的最小系统包括：复位电路、晶振电路、电源电路、下载电路。从今天开始讲解每个电路，并结合实际设计，展示实际电路。

1.

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。电工学上这个网络有两个谐振点：高频和低频，其中较低的频率是串联谐振；较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振起振波形如下所示：

晶振起振波形图

晶振分为无源晶振和有源晶振，无源晶振一般称之为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做 oscillator（振荡器）。

有源晶振是一个完整的谐振振荡器，它利用石英晶体的压电效应来起振，所以需要供电后它就可以主动产生振荡频率，并且可以提供高精度的频率基准，信号质量也比无源信号要好。

无源晶振自身无法振荡起来，它需要芯片内部的振荡电路一起工作才能振荡，它允许不同的电压，但是信号质量和精度较有源晶振差一些，价格也比有源晶振便宜很多。

无源晶振两侧都会有个电容，一般其容值都选在 10pF~40pF 之间，做设计时需要根据芯片的数据手册来选电容值。

↑ 有源晶振

↑ 无源晶振

3. 晶振电路

单片有两个引脚：XTAL1和XTAL2，用来接晶振。

接无源晶振：

↑接无源晶振

接有源晶振：

↑接有源晶振

这一节的晶振电路有没有讲清楚，欢迎加公众号：micropoint8 明天介绍电源电路。

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干货 晶振电路设计诀窍

在单片机中晶振是普遍存在的。晶振为什么如此必要，原因在于单片机能否正常工作的必要条件之一就是时钟电路。晶振好比单片机的心脏 ，如果没有心脏起跳，单片机无法工作。当然，电子电路设计并非速度越快越好，实际上是速度够用就好，速度越快越容易受干扰，也容易成为影响外界的干扰源。

晶 振 为 何 要 接 两 个 电 容？

晶振，全称是石英晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。 石英晶片所以能做振荡电路（谐振）是基于它的压电效应。当在晶振极板间施加交变电压时，就会迫使晶振产生机械变形振动，同时晶振的机械变形振动又会反过来产生交变电场。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，晶振及电路产生稳定的机械谐振和电气谐振。其特点是频率稳定度很高。

在电气上晶振可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

▲ 晶振物理模型

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振呈现为感性，简单理解就是等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数有变化，这个振荡器的频率也能保持相对的稳定，展现出高Q值。晶振在通过一定的外接电路生成频率和峰值稳定的正弦波，该正弦波在单片机内部调理电路整形下成为方波，作为单片机内部时序电路工作的时钟信号。

晶 振 电 路 常 用 设 计 方 法

晶振电路有多种设计方法，在单片机设计电路经常使用的是皮尔斯振荡电路 ，具体电路如下图所示。

▲ 皮尔斯振荡电路

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

我们在设计的时候经常会看见MCU的管脚有OSC1和OSC2，一般会连两个电容CL1和CL2，CL1和CL2是否就是负载电容呢？其实它们只是负载电容的一部分，而且大家要注意到，CL1和CL2从晶振来看它们是串联的，只不过它们之间有一个公共点接地。真正的负载是CL1和CL2，MCU OSC1/OSC2这两个管脚自身对地的寄生电容COSC1,COSC2,MCUOSC1/OSC2这两个管脚之间的杂散电容CS，还有一个是晶振本身的C0，这几部分共同组成了真正的负载，如下图所示（只在此图中画出COSC1,COSC2,CS，其他图中就不再详细画出这几个电容了）。

▲ 晶振电路负载电容示意

并联COSC1,COSC2一般在3~5pf，CS 有1~5pf（和PCB制造相关），C0也有1~2pf，也就是说，即使不连接CL1和CL2晶振电路的拓扑也是完整的，而且已经有了一定的电容负载，这也就是用户会发现即使没有连接CL1和CL2，电路往往也是能起振的原因。如果晶振总体负载容值偏差大了会怎样呢？会带来两个问题，一个是影响稳定裕量，另一个是影响晶振的精度。

我们在电路设计时，要尽量使整个晶振电路靠近MCU，同时要尽量避免在晶振电路旁有其他高频信号、大电流的信号，以及有较长走线的信号，从而保证晶振工作时有较小的负载、正确的拓扑，和相对稳定的电磁工作环境。在电路设计中有很多规则，而且这些规则往往是不可能同时满足的，需要特别注意的是，晶振电路的设计规则应该被优先保证。

振荡器电路设计的一个关键点是要晶振能够稳定工作。STM32有相关文档来讲解晶振裕量是如何计算的，文档里有很多公式，但在实际使用中可能无法通过公式准确计算，因为许多参数例如杂散电容无法真正测量出来，生产的工艺、制造的水准及器件本身的离散性都导致这些公式只具有理论指导性意义。

但一个简单的结论需要了解：同等条件下，增大电容负载，会降低裕量；提高反向放大器的跨导，会增大裕量；晶振内阻越大，裕量越小。反之亦然。

在真实的大规模生产中，最常用的测试裕量的方法是负阻测试，如下图所示。在晶振支路上串联一个电阻，这个阻值的大小一般为3到5倍的晶振内阻（如果是医疗或汽车级别的应用，这个阻值应为5到10倍的晶振内阻），当加入这个负载电阻后，如果整个晶振电路还是可以正常起振，我们就基本上可以判定这个晶振拓扑是稳定的。要注意这个负载电阻仅仅是用于裕量测试的，不可以存在于正式生产时的电路板上。

▲ 常用测试裕量方法 — 负阻测试

当系统通过了负阻测试，但发现晶振的振幅很小，会有影响吗？振幅小没关系，晶振电路内部都有放大器，会保证晶振电路的可靠稳定工作。但如果在晶振管脚上看到了饱和的现象，这时候就需要进行调整。

晶振电路内部是一个反相器，反相器工作在放大区，同时放大器的内部还并联一个电阻，这个电阻构成了反馈电路，同时也是用来调整晶振的工作点的。一般情况下用户不需要在外部电路再加入OSC1和OSC2的并联电阻，但还是可以在需要的情况下通过在外部并联电阻（一般来说阻值为M级）来对放大器的工作点进行微调。还有一个方法是在晶振的放大器输出管脚上串一个电阻。这个电阻一般有两个作用，一个作用是用来做选频，另一个作用是限制晶振驱动电路的输出电流，保证晶振工作在一个稳定的频点上，不会把晶振烧坏。

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