【原创】ESP8266物联网开发板设计3 ——晶振起振原理

电子

作者：张角老师（张飞实战电子高级工程师）

大家好，我们今天继续物联网开发板硬件电路设计相关的探讨。
我们先来看晶振这块。首先，单片机是可以看成是一个高速数字电路的集合体，其中速度最快的部件就要算是中央处理器了，其余的外围部件，比如PWM模块、I2C模块、SPI模块等等速度相对慢一些。我们先看CPU，它自己需要进行计算，但是多长时间CPU及其相关寄存器的状态改变一次，必须有一个时钟信号进行配合。换句话说，晶振的频率影响或者决定了CPU的动作周期。从另外一个层面来看，各个部件之间要协同工作，这肯定是需要同步的。这个同步的动作，肯定就需要时钟的参与。

仅仅从上面两个部分来看，单片机要想高效地完成编程者设定的任务，时钟信号是不可或缺的。目前单片机的时钟信号的来源主要有两类，一类是内部的RC振荡器，另一类是外部的晶振电路。内部的RC振荡器，频率相对来说比较低，一个主要的原因是它受温度的影响比较大。主要的原因就是RC振荡器的外围电路，其实还都是半导体器件组成，而偏偏半导体器件温飘特性相对来说就是比较大。那么也就是RC振荡电路的周期就不准了，温度高的时候和温度低的时候，周期不一样。所以有些朋友家里安装的电子时钟，相对来说，时间一长，就容易不准，其实很大一部分原因就是这个产品使用的芯片内部的RC振荡器。

但是有一个器件，能够提供非常精准的震荡频率，那就是石英晶体。石英晶体是一种具有压电效应的器件，在石英晶体两个管脚添加上交变的电场时，它将会产生一定的机械变形，这种机械变形反过来又会产生交变电场。一般情况下，无论是机械震动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场达到某一个特定值的时候，振幅陡然增大，产生共振。这个频率，我们称之为石英晶体的谐振频率。

那么我们单片机配套的石英晶体振荡器，具体是如何起振的呢？我们只有知晓了具体的起振过程，才有可能搞清楚设计上需要注意的地方。

我们单片机上的晶振电路，本质上就是电容三点式震荡电路的改进版。那么我们要讲清楚单片机上的晶振电路，就要讲清楚以下几个问题。第一，什么是震荡电路，震荡电路起振需要满足什么条件。第二，电容三点式震荡电路怎么起振的，它怎么就满足了震荡条件了。第三，电容三点式振荡电路的改进方向是什么，石英晶体震荡器符合电容三点式振荡器的改进方向么？第四，我们单片机内部电容三点式震荡电路一般是怎么实现的，我们设计晶振电路的时候有哪些需要注意的地方。在讲解这些地方的时候，我们尽量减少公式的表达，更多的追求直观的理解，毕竟我们的目的不是去设计单片机的晶振电路。

我们说正弦波震荡电路起振的条件，主要是两个条件，一个是必须要引入正反馈，也就是说反馈信号必须要能够替代输入信号；第二个要有外加的选频网络，进而用来确定震荡的频率。我们下面来看一下，常见的电容三点式震荡电路是什么样子的。

如下图所示，图中的三极管T1是放大部分，对A点输入的信号进行了放大。同时三极管的基极和射极信号是反向的，这个是三极管本身的特性导致的。如果对这个不熟悉的话，大家可以下去看看三极管的知识。那么三极管在这里也就是提供了两个功能，一个是信号的幅值放大（当然放大的倍数可以通过调整Rc和Re等进行调节），另一个功能提供了信号的相位的反相（图中A点和B点信号）。

图中黑色虚线中的部分，就是电容三点式振荡器的选频网络。发生共振的时候，电感L1和电容C2、C3组成的LC网络，可以近似为阻抗无穷大，也就是说电感L1和电容C2、C3电流是环路电流。大家知道电容的特性，是不是电流相位超前电压90度呀。我们把C2和C3的中间点接地，C点电压超前B点90度，D点电压又超前C点90度，那么D点电压是不是超前B点180度呀。D点电压超前B点180度，那是不是说D点的波形和B点是反向的呀。D点的波形和B点是反向的，B点的波形和A点是反向的，那么D点的波形和A点是不是就是同相的。那么这里是不是既有了正反馈，又有了选频网络。那么是不是就有可能满足正弦波的震荡条件呀，只要这个电路参数得当，那么就会产生正弦波。

这个电路的反馈系数F等于C2/C3, 电压放大倍数A = β*RL’/rbe,其中RL’ = Rc//(Ri/F^2)。

我们是正弦波要能够起振，是不是 AF的值要大于1呀。如果我们通过调整C2/C3的值，就会出现一个相悖的结论，调大了F，结果A却小了。那么A和F的乘积变化的趋势反而不明朗了。实际实验中，C2/C3的值既不能太大，也不能太小，具体指只能靠测试来设定。电容三点式震荡电路，相对来说它的缺点也在于此，通过调节电容去调节频率的话，会影响起振条件，但是通过调节电感办法来调节震荡频率，实现上又会比较困难。

通过LC谐振点的公式来看，如果我们要想提高震荡的频率，只能是不断减小C2、C3以及电感L。但是C2和C3减小到一定程度的时候，比如和电路的杂散电容一个级别的时候，我们就很难确定震荡的频率了，因为杂散电容的电容值几乎很难确定。那么我们有没有其他办法来解决这个问题呢？如果我们把C2、C3电容的容值设定在远大于杂散电容，那么杂散电容对电路的影响是不是就可以忽略掉了，电路的震荡频率是不是就会相对来说非常稳定。那么问题来了，震荡的频率如何提高呢？具体的措施，就是在电感上串联一个小电容C，同时C<

分析完了电容三点式震荡电路，那么我们看一下晶振怎么参与进来。因为我们前面已经提到了，我们单片机电路的晶振模块本质上也是电容三点式震荡电路。要看清楚这个问题，我们必须要了解晶振的高频模型，看看晶振的物理特性到底是什么。

实际上，晶振的高频等效模型如上图所示。这里的L，可以等效为晶振的惯性，这个值大概是几mH到几十mH。电容C等效为晶振的弹性，这个电容比较小，容值大概在0.01pF到0.1pF。R等效为晶振的摩擦损耗，这个值大概在100R，当然理想情况下这个值是零。电容C0等效为晶振的静态电容，它的大小和晶振的几何尺寸和极间面积有关，一般是几到几十个pF。那么实际上，晶振是惯性和弹性的结合体。结合我们前面提到的电容三点式振荡电路，我们更希望利用的其实是晶振的惯性部分，也就是电感部分对吧。在晶振组成的震荡电路中，震荡的稳定性主要是靠晶振本身的高Q值来稳定的，不是靠我们上面提到的那个思路，而且我们也不需要在外部震荡处那么高的频率，比如100Mhz的震荡。一般情况下，我们使用的是12Mhz的无源晶振，单片机内部的更高频次的震荡信号，是通过分频器和锁相环来实现的。

既然，我们使用的是晶振的惯性部分，那么我们就来分析一下，在什么频率下晶振会更多的呈现惯性，也就是感性。
当晶振的LCR电路发生谐振的时候，这个回路呈现纯阻性，等效电阻为R。谐振频率fs=1/(2πsqrt(LC))。当f低于fs的时候，C0这里起到主导作用，晶振呈现容性。当f大于fs的时候，LCR这条支路呈现感性。LCR这条支路将和C0发生并联谐振，谐振的频率fp = fs*sqrt(1+C/C0)，这个具体的公式大家可以下去推导一下，我们这里就不再做更深入的介绍了。大家可以看一下，因为C远远小于C0，所以fs和fp是不是无限接近呀。那么也就是说晶振只有在很窄的频率范围内，才会呈现感性。

回到我们前面提到的电容三点式震荡电路，晶振只在一个很窄的范围内呈现感性，而且受温度的影响比较小。那么是不是说用晶振组成的三点式震荡电路，它的频率会非常稳定呀。具体电路设计如下图所示。那这样，我们使用晶振搭建的电容三点式震荡电路就算完成了。

那么下一个任务就要回答，单片机中的晶振电路一般是如何实现的呢？我们以80C51来距离，它震荡电路的框图大概是下面这个样子。

我们大体可以把这个反相器等效成一个三极管，外部晶振和电容组成的单元完成了选频和信号的相移。反相器输入端的信号是流经R1的电压信号和流经R2的信号的叠加，R1和R2这里可以看成一个是正反馈电阻和一个正反馈电阻，这两个电阻在这里应该是起到限幅的作用的。有了正反馈，有了选频网络，有了限幅模块，那么我们的晶振电路是不是就可以输出正弦波信号了呀。

上面我们花了较大篇幅讲解了晶振的起振原理，那么了解这些东西对我们设计晶振模块有什么指导意义呢？

比如有时候，我们这两个电容不焊接，晶振也能起振。那这是为什么呢？通过我们前面的分析，晶振起振必须要有这两个电容的参与是吧，要不然无法实现选频和信号反向。但是这里究竟是为什么呢？主要的原因就是因为其实对于C1和C2来说，本身这两个电容就很小，比如我们常用的一般是12pF，15pF等等。有时候，杂散电容就会接近这个级别。那么这个时候，晶振也会起振。但是大家注意呀，这种情况下，晶振起振只是特殊情况呀。我们不能通过这种方式去节省成本。

电容C1两端的电压对反相器的输入起到比较重要的作用。如果C1过大，同样的电流加在C1上的电压信号是不成就变小了，这是不是相当于反馈信号变弱了？其实这个对晶振起振是相当不利的。反过来说，如果C1过小，它本身存储的能量也就小，也就更容易受到外界的干扰。C2的作用和C1正好相反。那么在布板的时候，如果是双面板，而且比较厚的话，分布电容影响还不大。如果是高密度多层板，那么就需要考虑分布电容的影响了。因此对于环境相对比较复杂的工控类的项目，建议最好不用使用无源晶体振荡器，选择有源的晶振就可以了。

参考资料

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①无源晶振起振条件及其工作原理

//m.obk20.com/article/582154.html

②51单片机晶振电路原理是什么

https://www.zhihu.com/question/30930577/answer/55822425

③ 三点式LC正弦波震荡电路详解

https://blog.csdn.net/weixin_42415539/article/details/88540709

④电容三点式震荡电路波形问题

http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1090538-1-1.html#pid2904297

⑤三点式电容震荡电路的工作原理

https://zhuanlan.zhihu.com/p/354627295