晶振常见问题分析 晶振频率测量注意事项

OSC----晶振问题分析

引言：CPU中的晶振提供时钟周期，如果没有晶振，就没有时钟周期，无法执行程序代码，芯片无法工作。时钟信号频率越高，CPU的运行速度也就越快，单片机的工作频率范围太高会导致运行不稳定，单片机遇到问题无法启动的时候，多数情况是石英晶振停振造成的。

1.温度决定稳定性

稳定度越高，温度范围越宽，价格也就越高，在选择晶振时，应按照实际需求选择稳定度。如果晶振的工作温度范围是-20℃~70℃，在-40℃~85℃也可能会正常运行，但是它在最低和最高温度下工作的稳定性会变差。

2.芯片的内部RC振荡电路和外部晶振

如果对产品的精准度和稳定度没有过高的要求，具有内部RC振荡电路的MCU可以不需要另外增加外部振荡器，使用内部RC振荡电路，功耗低，电路板更少的零件，不加外置晶振而闲置的引脚可以用在别的功能上，在设计上有更灵活的选择。

但仅仅使用内部振荡电路，内部振荡电路对外界干扰很敏感，非常容易受到外界环境温度的影响。使用外部石英晶体谐振器比内部的RC振荡器的频率稳定度要高上数倍，如果对稳定度有需求，则需要外部晶体的加入。

使用外部晶体的另一个原因是频率的选择，晶体有很宽泛的频率范围可供选择，然而内部振荡器通常只有一个频率，谐波频率是基频的整数倍，3/5/7倍频率的泛音晶体。

3.晶振失效考量因素

1#：负载电容

2#：频率误差

3#：负性阻抗

4#：激励电平

5#：噪声

6#：焊接，如果焊接操作不当会对晶振造成损伤，严重时会造成停振，或造成软伤害，即使可以正常工作，在后面的使用中也会造成停振的现象。

7#：PCB布局，如果PCB板很大需要进行切割，那么切割的边缘会因为变形而产生机械张力，会对晶振产生影响，晶振需要远离PCB板边缘的地方。

8#：如果是批量晶体损坏，可以考虑驱动功率过大问题。

4.测量注意

无论是正弦波还是方波，只有使用正确的方法，才能准确测量信号，得出的结论才会有意义，晶振的标称频率测量步骤如下：

1#：为了提高信号保真度，使用探头标配的接地弹簧代替接地鳄鱼夹就近接地。

2#：将示波器通道设置为交流耦合，10X档位，确保晶振主板上电运行后，拔掉探头的套子，露出探针。将探头夹子接到主板地线即供电负极端，探针针尖接触到晶振的其中一个引脚。

3#：调节示波器的垂直档位和时基，使波形至少一个周期完整显示于屏幕中，如图8-1所示此晶振频率为23.995MHZ，占空比为53.11%（标准在45%-55%）。

图8-1：无源晶振输出非标正弦波形

带宽选择

当晶振的输出波形是方波时，一般上升沿比较陡峭且包含了较多的高频信号，带宽是示波器最重要的方面，因为它决定了可用的频率范围。只有有足够的带宽，示波器才能准确地呈现信号，示波器不显示其可用范围之外的信号，理论值是带宽是被测信号频率的2倍，实际测试方波时带宽应该是被测信号频率的10倍。

如果有源晶振把整形电路做在有源晶振里面了的话，输出就是方波，但很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，就是由于示波器的带宽不够。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100M的示波器。

挡位选择

晶振的输出边沿一般比较陡，上升时间较短，实质是晶振的输出中包含了较多的高频分量，因此应该将其当作高频信号来看待。探头×1挡的带宽有限制，而探头×10挡是全带宽开启的，因此必须选用×10挡进行测量。

另一方面，晶振对电容负载比较敏感，当使用×1挡时，探头电容相对较大，相当于一个很重的负载并联在晶振电路中，容易导致电路停振而得不出正确的测量结果，因此我们使用10X档的探头更佳，此时探头内的电容相对变小，可以减小测试引入的负载效应，测量出来的晶振波形才是准确的。

小结：

在用示波器观察晶振引脚上的波形时，如果在屏幕上看不到晶振波形或是波形的特征不正确，波形不太好的正弦波，要么是带宽不够，要么就是没有使用探头×10挡造成的。

5.无源晶振电路经常出现的问题

不起振

晶振的欠激励现象，原因在于激励功率不够或起振时间太长，这种现象通常表现为上电复位后晶振不工作或是低功耗模式下晶振不工作，但是敲击一下晶振又会正常起振。

解决方法是选择能耗小的晶体，同时在数据手册允许范围内减少外接电容值，缩短起振时间，电容取值可以不对等。

频率偏大

频率偏大为过激励现象，用示波器可以观察到输出波形的波峰和波谷被削平，此时晶振被过分驱动，应在芯片相关脚上串接电阻调整至输出波形清晰完整。