晶振原理解析

工程师进阶笔记

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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。

% X( i# i8 ?' r01压电效应
: M) a$ t5 B" u& C9 r- J& S
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。
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。
/ [" O4 l. ^0 L9 I9 i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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) g* `6 c& r& F$ X* @5 x▲ 石英晶体等效模型

; n( Y$ k5 a* c: i0 [" ~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。

; B; G/ ]. C; c5 i% V02晶体振荡器的应用

9 F. d! C; x0 U1 c  _% P# v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：
* H( Z0 t9 H# ^1 y科尔皮兹晶体振荡器
2 N/ b; m9 R5 V
) [7 j$ p- ]/ [( CColpitts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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▲ 科尔皮兹晶体振荡器

阿姆斯壮晶体振荡器
- a( g$ c% W, Z- j5 c9 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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▲ 阿姆斯壮晶体振荡器
( O" W' y# _9 w" r& O" O
  x: e+ Y9 w# ~% K# V0 l皮尔斯晶体振荡器
, T" |8 V$ m! {8 w9 J& n/ y2 g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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2 F& q$ m, b3 X. H# \( F+ t* U▲ 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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无源晶振和有源晶振的区别体现：
有源晶振：不依靠外部电路,通过自身产生震荡。
' E$ J3 z6 D; q0 H& K# n/ `! a+ P无源晶振：就是一个晶体振荡器，无法通过自身产生震荡。
6 J/ j9 C/ y& N4 l3 s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。

6 O" T6 j. h: {$ Y, F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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5 R' H' G7 L3 _) c' i, |▲ 有源晶振结构图
) Q' Z$ G4 ?; y  k- K3 O( H( R. c; g
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。
- N. r; \% o, c" K5 }4 B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。
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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▲ 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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7 T; H  _( j/ l) X+ E▲ 无源晶振解剖图，左右滑动查看更多

04STM32外接晶振
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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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▲ HSE时钟源
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5 C# w7 Q4 H, q6 Q6 u  u1 k8 b' B7 Q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
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。
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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+ `4 p7 X: Q+ s' r由软件置1和清零。
& T2 h6 s2 O. D  M, Q$ D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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- d" W3 _( c) ?. J& D7 H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。
4 S- h3 M! b$ |. s  K/ ]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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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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7 S1 l' a2 h$ v$ W' T& u5 j; n●设计一款兼容ST207和GD207的开发板
●MCU的心脏-晶振