大家好，我們今天繼續(xù)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板硬件電路設(shè)計相關(guān)的探討。

我們先來看晶振這塊。首先，單片機是可以看成是一個高速數(shù)字電路的集合體，其中速度最快的部件就要算是中央處理器了，其余的外圍部件，比如PWM模塊、I2C模塊、SPI模塊等等速度相對慢一些。我們先看CPU，它自己需要進行計算，但是多長時間CPU及其相關(guān)寄存器的狀態(tài)改變一次，必須有一個時鐘信號進行配合。換句話說，晶振的頻率影響或者決定了CPU的動作周期。從另外一個層面來看，各個部件之間要協(xié)同工作，這肯定是需要同步的。這個同步的動作，肯定就需要時鐘的參與。

僅僅從上面兩個部分來看，單片機要想高效地完成編程者設(shè)定的任務(wù)，時鐘信號是不可或缺的。目前單片機的時鐘信號的來源主要有兩類，一類是內(nèi)部的RC振蕩器，另一類是外部的晶振電路。內(nèi)部的RC振蕩器，頻率相對來說比較低，一個主要的原因是它受溫度的影響比較大。主要的原因就是RC振蕩器的外圍電路，其實還都是半導體器件組成，而偏偏半導體器件溫飄特性相對來說就是比較大。那么也就是RC振蕩電路的周期就不準了，溫度高的時候和溫度低的時候，周期不一樣。所以有些朋友家里安裝的電子時鐘，相對來說，時間一長，就容易不準，其實很大一部分原因就是這個產(chǎn)品使用的芯片內(nèi)部的RC振蕩器。

但是有一個器件，能夠提供非常精準的震蕩頻率，那就是石英晶體。石英晶體是一種具有壓電效應(yīng)的器件，在石英晶體兩個管腳添加上交變的電場時，它將會產(chǎn)生一定的機械變形，這種機械變形反過來又會產(chǎn)生交變電場。一般情況下，無論是機械震動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當交變電場達到某一個特定值的時候，振幅陡然增大，產(chǎn)生共振。這個頻率，我們稱之為石英晶體的諧振頻率。

那么我們單片機配套的石英晶體振蕩器，具體是如何起振的呢？我們只有知曉了具體的起振過程，才有可能搞清楚設(shè)計上需要注意的地方。

我們單片機上的晶振電路，本質(zhì)上就是電容三點式震蕩電路的改進版。那么我們要講清楚單片機上的晶振電路，就要講清楚以下幾個問題。第一，什么是震蕩電路，震蕩電路起振需要滿足什么條件。第二，電容三點式震蕩電路怎么起振的，它怎么就滿足了震蕩條件了。第三，電容三點式振蕩電路的改進方向是什么，石英晶體震蕩器符合電容三點式振蕩器的改進方向么？第四，我們單片機內(nèi)部電容三點式震蕩電路一般是怎么實現(xiàn)的，我們設(shè)計晶振電路的時候有哪些需要注意的地方。在講解這些地方的時候，我們盡量減少公式的表達，更多的追求直觀的理解，畢竟我們的目的不是去設(shè)計單片機的晶振電路。

我們說正弦波震蕩電路起振的條件，主要是兩個條件，一個是必須要引入正反饋，也就是說反饋信號必須要能夠替代輸入信號；第二個要有外加的選頻網(wǎng)絡(luò)，進而用來確定震蕩的頻率。我們下面來看一下，常見的電容三點式震蕩電路是什么樣子的。

如下圖所示，圖中的三極管T1是放大部分，對A點輸入的信號進行了放大。同時三極管的基極和射極信號是反向的，這個是三極管本身的特性導致的。如果對這個不熟悉的話，大家可以下去看看三極管的知識。那么三極管在這里也就是提供了兩個功能，一個是信號的幅值放大（當然放大的倍數(shù)可以通過調(diào)整Rc和Re等進行調(diào)節(jié)），另一個功能提供了信號的相位的反相（圖中A點和B點信號）。

圖中黑色虛線中的部分，就是電容三點式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生共振的時候，電感L1和電容C2、C3組成的LC網(wǎng)絡(luò)，可以近似為阻抗無窮大，也就是說電感L1和電容C2、C3電流是環(huán)路電流。大家知道電容的特性，是不是電流相位超前電壓90度呀。我們把C2和C3的中間點接地，C點電壓超前B點90度，D點電壓又超前C點90度，那么D點電壓是不是超前B點180度呀。D點電壓超前B點180度，那是不是說D點的波形和B點是反向的呀。D點的波形和B點是反向的，B點的波形和A點是反向的，那么D點的波形和A點是不是就是同相的。那么這里是不是既有了正反饋，又有了選頻網(wǎng)絡(luò)。那么是不是就有可能滿足正弦波的震蕩條件呀，只要這個電路參數(shù)得當，那么就會產(chǎn)生正弦波。

這個電路的反饋系數(shù)F等于C2/C3, 電壓放大倍數(shù)A = β*RL’/rbe,其中RL’= Rc//(Ri/F^2)。

我們是正弦波要能夠起振，是不是 AF的值要大于1呀。如果我們通過調(diào)整C2/C3的值，就會出現(xiàn)一個相悖的結(jié)論，調(diào)大了F，結(jié)果A卻小了。那么A和F的乘積變化的趨勢反而不明朗了。實際實驗中，C2/C3的值既不能太大，也不能太小，具體指只能靠測試來設(shè)定。電容三點式震蕩電路，相對來說它的缺點也在于此，通過調(diào)節(jié)電容去調(diào)節(jié)頻率的話，會影響起振條件，但是通過調(diào)節(jié)電感辦法來調(diào)節(jié)震蕩頻率，實現(xiàn)上又會比較困難。

通過LC諧振點的公式來看，如果我們要想提高震蕩的頻率，只能是不斷減小C2、C3以及電感L。但是C2和C3減小到一定程度的時候，比如和電路的雜散電容一個級別的時候，我們就很難確定震蕩的頻率了，因為雜散電容的電容值幾乎很難確定。那么我們有沒有其他辦法來解決這個問題呢？如果我們把C2、C3電容的容值設(shè)定在遠大于雜散電容，那么雜散電容對電路的影響是不是就可以忽略掉了，電路的震蕩頻率是不是就會相對來說非常穩(wěn)定。那么問題來了，震蕩的頻率如何提高呢？具體的措施，就是在電感上串聯(lián)一個小電容C，同時C<

分析完了電容三點式震蕩電路，那么我們看一下晶振怎么參與進來。因為我們前面已經(jīng)提到了，我們單片機電路的晶振模塊本質(zhì)上也是電容三點式震蕩電路。要看清楚這個問題，我們必須要了解晶振的高頻模型，看看晶振的物理特性到底是什么。

實際上，晶振的高頻等效模型如上圖所示。這里的L，可以等效為晶振的慣性，這個值大概是幾mH到幾十mH。電容C等效為晶振的彈性，這個電容比較小，容值大概在0.01pF到0.1pF。R等效為晶振的摩擦損耗，這個值大概在100R，當然理想情況下這個值是零。電容C0等效為晶振的靜態(tài)電容，它的大小和晶振的幾何尺寸和極間面積有關(guān)，一般是幾到幾十個pF。那么實際上，晶振是慣性和彈性的結(jié)合體。結(jié)合我們前面提到的電容三點式振蕩電路，我們更希望利用的其實是晶振的慣性部分，也就是電感部分對吧。在晶振組成的震蕩電路中，震蕩的穩(wěn)定性主要是靠晶振本身的高Q值來穩(wěn)定的，不是靠我們上面提到的那個思路，而且我們也不需要在外部震蕩處那么高的頻率，比如100Mhz的震蕩。一般情況下，我們使用的是12Mhz的無源晶振，單片機內(nèi)部的更高頻次的震蕩信號，是通過分頻器和鎖相環(huán)來實現(xiàn)的。

既然，我們使用的是晶振的慣性部分，那么我們就來分析一下，在什么頻率下晶振會更多的呈現(xiàn)慣性，也就是感性。

當晶振的LCR電路發(fā)生諧振的時候，這個回路呈現(xiàn)純阻性，等效電阻為R。諧振頻率fs=1/(2πsqrt(LC))。當f低于fs的時候，C0這里起到主導作用，晶振呈現(xiàn)容性。當f大于fs的時候，LCR這條支路呈現(xiàn)感性。LCR這條支路將和C0發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振的頻率fp = fs*sqrt(1+C/C0)，這個具體的公式大家可以下去推導一下，我們這里就不再做更深入的介紹了。大家可以看一下，因為C遠遠小于C0，所以fs和fp是不是無限接近呀。那么也就是說晶振只有在很窄的頻率范圍內(nèi)，才會呈現(xiàn)感性。

回到我們前面提到的電容三點式震蕩電路，晶振只在一個很窄的范圍內(nèi)呈現(xiàn)感性，而且受溫度的影響比較小。那么是不是說用晶振組成的三點式震蕩電路，它的頻率會非常穩(wěn)定呀。具體電路設(shè)計如下圖所示。那這樣，我們使用晶振搭建的電容三點式震蕩電路就算完成了。

那么下一個任務(wù)就要回答，單片機中的晶振電路一般是如何實現(xiàn)的呢？

我們大體可以把這個反相器等效成一個三極管，外部晶振和電容組成的單元完成了選頻和信號的相移。反相器輸入端的信號是流經(jīng)R1的電壓信號和流經(jīng)R2的信號的疊加，R1和R2這里可以看成一個是正反饋電阻和一個正反饋電阻，這兩個電阻在這里應(yīng)該是起到限幅的作用的。有了正反饋，有了選頻網(wǎng)絡(luò)，有了限幅模塊，那么我們的晶振電路是不是就可以輸出正弦波信號了呀。

上面我們花了較大篇幅講解了晶振的起振原理，那么了解這些東西對我們設(shè)計晶振模塊有什么指導意義呢？

比如有時候，我們這兩個電容不焊接，晶振也能起振。那這是為什么呢？通過我們前面的分析，晶振起振必須要有這兩個電容的參與是吧，要不然無法實現(xiàn)選頻和信號反向。但是這里究竟是為什么呢？主要的原因就是因為其實對于C1和C2來說，本身這兩個電容就很小，比如我們常用的一般是12pF，15pF等等。有時候，雜散電容就會接近這個級別。那么這個時候，晶振也會起振。但是大家注意呀，這種情況下，晶振起振只是特殊情況呀。我們不能通過這種方式去節(jié)省成本。

電容C1兩端的電壓對反相器的輸入起到比較重要的作用。如果C1過大，同樣的電流加在C1上的電壓信號是不成就變小了，這是不是相當于反饋信號變?nèi)趿?？其實這個對晶振起振是相當不利的。反過來說，如果C1過小，它本身存儲的能量也就小，也就更容易受到外界的干擾。C2的作用和C1正好相反。那么在布板的時候，如果是雙面板，而且比較厚的話，分布電容影響還不大。如果是高密度多層板，那么就需要考慮分布電容的影響了。因此對于環(huán)境相對比較復雜的工控類的項目，建議最好不用使用無源晶體振蕩器，選擇有源的晶振就可以了。

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