OSC----晶振問題分析

引言：CPU中的晶振提供時鐘周期，如果沒有晶振，就沒有時鐘周期，無法執行程序代碼，芯片無法工作。時鐘信號頻率越高，CPU的運行速度也就越快，單片機的工作頻率范圍太高會導致運行不穩定，單片機遇到問題無法啟動的時候，多數情況是石英晶振停振造成的。

1.溫度決定穩定性

穩定度越高，溫度范圍越寬，價格也就越高，在選擇晶振時，應按照實際需求選擇穩定度。如果晶振的工作溫度范圍是-20℃~70℃，在-40℃~85℃也可能會正常運行，但是它在最低和最高溫度下工作的穩定性會變差。

2.芯片的內部RC振蕩電路和外部晶振

如果對產品的精準度和穩定度沒有過高的要求，具有內部RC振蕩電路的MCU可以不需要另外增加外部振蕩器，使用內部RC振蕩電路，功耗低，電路板更少的零件，不加外置晶振而閑置的引腳可以用在別的功能上，在設計上有更靈活的選擇。

但僅僅使用內部振蕩電路，內部振蕩電路對外界干擾很敏感，非常容易受到外界環境溫度的影響。使用外部石英晶體諧振器比內部的RC振蕩器的頻率穩定度要高上數倍，如果對穩定度有需求，則需要外部晶體的加入。

使用外部晶體的另一個原因是頻率的選擇，晶體有很寬泛的頻率范圍可供選擇，然而內部振蕩器通常只有一個頻率，諧波頻率是基頻的整數倍，3/5/7倍頻率的泛音晶體。

3.晶振失效考量因素

1#：負載電容

2#：頻率誤差

3#：負性阻抗

4#：激勵電平

5#：噪聲

6#：焊接，如果焊接操作不當會對晶振造成損傷，嚴重時會造成停振，或造成軟傷害，即使可以正常工作，在后面的使用中也會造成停振的現象。

7#：PCB布局，如果PCB板很大需要進行切割，那么切割的邊緣會因為變形而產生機械張力，會對晶振產生影響，晶振需要遠離PCB板邊緣的地方。

8#：如果是批量晶體損壞，可以考慮驅動功率過大問題。

4.測量注意

無論是正弦波還是方波，只有使用正確的方法，才能準確測量信號，得出的結論才會有意義，晶振的標稱頻率測量步驟如下：

1#：為了提高信號保真度，使用探頭標配的接地彈簧代替接地鱷魚夾就近接地。

2#：將示波器通道設置為交流耦合，10X檔位，確保晶振主板上電運行后，拔掉探頭的套子，露出探針。將探頭夾子接到主板地線即供電負極端，探針針尖接觸到晶振的其中一個引腳。

3#：調節示波器的垂直檔位和時基，使波形至少一個周期完整顯示于屏幕中，如圖8-1所示此晶振頻率為23.995MHZ，占空比為53.11%（標準在45%-55%）。

圖8-1：無源晶振輸出非標正弦波形

帶寬選擇

當晶振的輸出波形是方波時，一般上升沿比較陡峭且包含了較多的高頻信號，帶寬是示波器最重要的方面，因為它決定了可用的頻率范圍。只有有足夠的帶寬，示波器才能準確地呈現信號，示波器不顯示其可用范圍之外的信號，理論值是帶寬是被測信號頻率的2倍，實際測試方波時帶寬應該是被測信號頻率的10倍。

如果有源晶振把整形電路做在有源晶振里面了的話，輸出就是方波，但很多時候在示波器上看到的還是波形不太好的正弦波，就是由于示波器的帶寬不夠。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器測量，顯示的是正弦波，這是由于方波的傅里葉分解為基頻和奇次諧波的疊加，帶寬不夠的話，就只剩下基頻20MHz和60MHz的諧波，所以顯示正弦波。完美的再現方波需要至少10倍的帶寬，5倍的帶寬只能算是勉強，所以需要至少100M的示波器。

擋位選擇

晶振的輸出邊沿一般比較陡，上升時間較短，實質是晶振的輸出中包含了較多的高頻分量，因此應該將其當作高頻信號來看待。探頭×1擋的帶寬有限制，而探頭×10擋是全帶寬開啟的，因此必須選用×10擋進行測量。

另一方面，晶振對電容負載比較敏感，當使用×1擋時，探頭電容相對較大，相當于一個很重的負載并聯在晶振電路中，容易導致電路停振而得不出正確的測量結果，因此我們使用10X檔的探頭更佳，此時探頭內的電容相對變小，可以減小測試引入的負載效應，測量出來的晶振波形才是準確的。

小結：

在用示波器觀察晶振引腳上的波形時，如果在屏幕上看不到晶振波形或是波形的特征不正確，波形不太好的正弦波，要么是帶寬不夠，要么就是沒有使用探頭×10擋造成的。

5.無源晶振電路經常出現的問題

不起振

晶振的欠激勵現象，原因在于激勵功率不夠或起振時間太長，這種現象通常表現為上電復位后晶振不工作或是低功耗模式下晶振不工作，但是敲擊一下晶振又會正常起振。

解決方法是選擇能耗小的晶體，同時在數據手冊允許范圍內減少外接電容值，縮短起振時間，電容取值可以不對等。

頻率偏大

頻率偏大為過激勵現象，用示波器可以觀察到輸出波形的波峰和波谷被削平，此時晶振被過分驅動，應在芯片相關腳上串接電阻調整至輸出波形清晰完整。