微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時鐘源、匹配電阻和電容、溫度補償等。

 

下圖給出了兩種時鐘源。兩種分立的振蕩器電路，其中圖a為皮爾斯振蕩器配置，用于機械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖b為簡單的RC反饋振蕩器。 

 

 

舉例，一個振蕩電路在其輸出端串接了一個22K的電阻，在其輸出端和輸入端之間接了一個10M的電阻。

 

并聯電阻

 

電路并聯電阻是由于連接晶振的芯片端內部是一個線性運算放大器，將輸入進行反向180度輸出，晶振處的負載電容電阻組成的網絡提供另外180度的相移，整個環(huán)路的相移360度，滿足振蕩的相位條件，同時還要求閉環(huán)增益大于等于1，晶體才正常工作。Xin和Xout的內部一般是一個施密特反相器，反相器是不能驅動晶體震蕩的。因此，在反相器的兩端并聯一個電阻，由電阻完成將輸出的信號反向。電阻的作用是將電路內部的反向器加一個反饋回路，形成放大器，當晶體并在其中會使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振，由于晶體的Q值非常高，因此電阻在很大的范圍變化都不會影響輸出頻率，但會影響脈寬比的。

 

晶振輸入輸出連接的電阻作用是產生負反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū)，一般在M歐級，KHz晶振電路，并聯電阻通常為10M歐，MHz晶振，并聯電容通常為1M歐左右。

 

串聯電阻

 

電路串聯電阻常用來預防晶振被過分驅動。晶振過分驅動的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，并導致晶振的早期失效，又可以講drive level調整用。用來調整drive level和發(fā)振余裕度。

 

電阻Rs常用來防止晶振被過分驅動。過分驅動晶振會漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升。可用一臺示波器檢測OSC輸出腳，如果檢測一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時鐘輸入需要，則晶振未被過分驅動；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅動。這時就需要用電阻Rs來防止晶振被過分驅動。判斷電阻Rs值大小的最簡單的方法就是串聯一個5k或10k的微調電阻，從0開始慢慢調高，一直到正弦波不再被削平為止。通過此辦法就可以找到最接近的電阻Rs值。

 

輸出端串聯電阻與負載電容組成網絡，提供180度相移，同時起到限流的作用，防止反向器輸出對晶振過驅動，損壞晶振。其值的大小通常為幾百K 歐姆較多，具體大小需要通過調試，根據過驅程度去選定串接多大電阻。

 

 

晶振本身的作用

 

振蕩器是一種能量轉換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振回路相比，它具有很高的標準性和極高的品質因數，，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達到10-4~10-11穩(wěn)定度。

 

基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對某頻率具有的響應作用，用來濾波、選頻網絡等，石英諧振器相當于RLC振蕩電路。

 

石英晶體俗稱水晶，是一種化學成分為二氧化硅（SiO2）的六角錐形結晶體，比較堅硬。它有三個相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經過六棱柱棱線并垂直于Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機械軸

 

 

石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正（機械能→電能）、反（電能→機械能）壓電效應。沿石英晶片的電軸或機械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個表面產生正、負電荷，呈現出電壓，其大小與所加力產生的形變成正比；若施加張力，則產生反向電壓，這種現象稱為正電效應。當沿石英晶片的電軸方向加電場，則晶片在電軸和機械軸方向將延伸或壓縮，發(fā)生形變，這種現象稱為反壓電效應。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時，晶片會隨電壓的變化產生機械振動，機械振動又會在晶片內表面產生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對于某一振動方式，有一個固有的機械諧振頻率。當外加交流電壓等于晶片的固有機械諧振頻率時，晶片的機械振動幅度最大，流過晶片的電流最大，產生了共振現象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。晶片的振動頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越?。ǔ叽缭酱?，頻率越低），這樣的晶片其機械強度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時常采用泛音晶體。一般地，在工作頻率小于20MHZ時采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ時采用泛音晶體。

 

原理：壓電效應

 

若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。

        

 

晶振的作用一句話簡單說就是：選擇頻率，讓跟自己固有頻率相等的和接近的振蕩蕩起來。

 

對于一個高可靠性的系統設計，晶體的選擇非常重要，尤其設計帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統。這是因為低供電電壓使提供給晶體的激勵功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現象在上電復位時并不特別明顯，原因時上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時，電路的擾動要比上電時小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(不容易起振)。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點，負載電容，激勵功率，溫度特性，長期穩(wěn)定性。

 

本文轉載自硬件十萬個為什么。

 

參考文檔

 

《晶振串聯電阻與并聯電阻有什么作用？》——晶科鑫官網

《晶振的原理》——百度文庫

《示波器的使用方法圖解》——工控資料窩

 

 

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