振荡电路解密！石英晶体上电后多久会起振？

振荡器 Oscillator 是电子电路很重要的一环，有了振荡器后，模拟电路才开始迈向通讯领域，数字电路则开始有「时间序」的概念，也才有后来状态机 state machine 的应用，所以振荡器的起振非常重要，没振起来一切免谈，有振起来，频率也要准才行，现今最常用的是晶体振荡器 XTAL 。

今天有人问我上电后的石英晶体需要多久时间才会稳定振荡？这我倒没真的测试过，既然有人问了我们就来测看看吧！

晶体振荡—线路

下图是一般常见的考毕兹晶体振荡线路（Colpitts Oscillator），虽然说振荡线路百百种，但利用石英晶体 Crystal（XTAL）作为振荡组件的方式仍然是主流，因为石英晶体的 Q 值非常高，频率可以很准。

所谓 Q 值是组件储能与耗能的比例，有些人或许会有点陌生，但基本上它只是一个用来叙述储能组件或系统的名词。

Q=储能/耗能

晶体振荡器线路图

以敲钟来举例，你敲它一下，钟声会余音缭绕，这就是钟罩外层的振荡所致，声音缭绕越久，表示 Q 值越高，如果你在钟罩内铺上棉絮等布料，声音会很快被布料吸走，甚至只剩下敲钟当下的打击声，这样的情况就表示 Q 值很低；如果有个钟，它能让人只敲一下就响到无穷无尽，那就表示它零耗能，也就是 Q 值无限大，当然这样的东西并不存在。

石英晶体的高 Q 值，只要配上两个电容就能形成一个共振腔，但共振腔内的振荡讯号终究会停止，若再配上一个放大器把输出的讯号放大再加回到原来的输入端，就形成了可永久振荡的振荡器。

以上只是简略叙述振荡器怎么回事，真的要写起来会无穷尽，我今天只是要来看看多久会起振而已。

实体电路

身为实作派的助教，除了画画线路图跑模拟之外，当然也要拿实际的线路真枪实弹地电路板跑看看才行。下图是某个半残的电路板，虽然功能上有点问题，但它还能开机、LED 也会闪烁，这表示系统有跑起来，晶体振荡器有正常工作。

下图中的蓝色线，就是我的测量点，XTAL 石英晶体的其中一根脚，我将它直接接到示波器的探棒；但我必须说，这样的接法是不及格的，因为当我们直接把探棒接在 XTAL 的组件上，它的寄生电容会影响系统的振荡频率，甚至有可能不起振。

正确的做法应该要使用主动探棒，但主动探棒很贵，除非需要经常用到，不然买起来还真心疼。如果你对芯片的 SDK 很熟，可以从芯片内部将频率 clock 的讯号从 GPIO 绕出来，这样间接地测量才不会影响到振荡频率。

我自己会直接用探棒接触，是不得已的，一来这块板子的 Firmware 不是我写的，二来这颗芯片并没有 GPIO 可以让你把频率讯号绕出来；还好探棒直接接触后，XTAL 仍然有起振，示波器还是能观察到，但频率绝对有偏差，只是频偏目前不是我关心的重点。

晶体振荡器电路板

附带一提，量个振荡讯号，不是只要拉一条蓝色线接上 XTAL（虽然这样接不及格）就好吗？上图中其它的线是怎么回事？原来这颗芯片只是整块电路板的一个子电路，我不想让它受到 main chip 的指令干扰，所以我用外部的 3.3 V 直接供电给子电路，另外这颗芯片有 Reset# pin，要将它 pull high 才能让芯片开始工作，否则 XTAL 不会起振。

频偏的问题

刚刚提到，我这种直接接触的测量方式会导致频偏，那么频偏会造成什么问题吗？系统依旧可以开机，程序也可以跑，到底哪里会有问题？

我举个例子好了，模拟电视 NTSC 的色彩讯号频率 spec 是 3.579545 MHz，电视机的振荡频率理论上要跟它一样，但 spec 规范的容忍度规范是多少呢？只有+/-10 Hz，这大约是 2.8 ppm，也就是说你的色彩讯号可能因为你用示波器触碰石英晶体的关系，造成多 2.8 ppm 的频偏，而这就足以让你的电视机从彩色变黑白，而且还附带很多噪声，因为颜色讯号已经变成画面的一部份了。

不过还好，我多年前自己试验的结果，电视机通常会自己追彩色讯号的频率，除非你偏得太离谱，电视机才会秀黑白画面给你看。如果 3.58 MHz的讯号都能让机器误动作了，那现在流行的 Wifi 频率在 2.4 GHz/5 GHz，当然对频率又更敏感了。

也许你会问频偏可以从示波器观察到吗？我的答案是不行。如果你观察过示波器的频率测量，你会发现一般示波器的频率测量位数只到小数点下 2 位，少数机型会到小数点下 4 位，但它会不断跳动，我不认为你有机会能稳定观察到这 10 Hz 的变化，除非你用的是高档货。

石英晶体起振

回到我原本的问题上，直接上电观察何时起振，如下图 10 ms 以内就起振稳定了，当然每个电路起振的时间不同，我这里只是要表达，它不会让你等超过 1 sec。

振荡器是由小到大渐渐起振的，它不会马上有弦波，而是需要时间将能量累积，才能振出稳定的讯号。这很像设计不良的扩音系统，当它发生回授时，那尖锐的噪音并非马上出现，而是由小到大渐进出现，虽然它出现的时间只有短短几秒钟，仔细观察还是能发现麦克风的噪音是由小渐进到大。

事实上，振荡器就是利用回授系统将噪声中的特定频率不断地放大，而晶体振荡的频率是由石英晶体的构造决定的，就好像钟声的高低音，是由它的形状决定的一样，而噪声在振荡器里的角色，就如同敲钟的槌子一般，而我们的电路最不缺噪声，因为有温度就有噪声，甚至外来的噪声也不少，我们就好好利用噪声吧。

晶体振荡的起振波形

我展开前段波形的其中一部分，来看看频率是多少，由于振福太小没办法用自动量测，我只好以 cursor 大概的量一下，确实是 16 MHz。

晶体振荡波形放大

在振荡器起振的这段时间，为避免 Chip 误动作，最好能在这段时间让 chip 处于 Reset 状态，减少对系统的影响。系统上每个 chip 的 reset 时间长短也都需要与软件的 timeout 搭配，如果设计得太刚好，可能会在有些 API 呼叫时 fail，而且还不是每次都 fail，这里就是软硬件工程师要合作的地方。

审核编辑：汤梓红