大家好，我們今天繼續(xù)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板硬件電路設(shè)計(jì)相關(guān)的探討。

我們先來(lái)看晶振這塊。首先，單片機(jī)是可以看成是一個(gè)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(duì)慢一些。我們先看CPU，它自己需要進(jìn)行計(jì)算，但是多長(zhǎng)時(shí)間CPU及其相關(guān)寄存器的狀態(tài)改變一次，必須有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行配合。換句話說(shuō)，晶振的頻率影響或者決定了CPU的動(dòng)作周期。從另外一個(gè)層面來(lái)看，各個(gè)部件之間要協(xié)同工作，這肯定是需要同步的。這個(gè)同步的動(dòng)作，肯定就需要時(shí)鐘的參與。

僅僅從上面兩個(gè)部分來(lái)看，單片機(jī)要想高效地完成編程者設(shè)定的任務(wù)，時(shí)鐘信號(hào)是不可或缺的。目前單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)的來(lái)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(duì)來(lái)說(shuō)比較低，一個(gè)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(shí)還都是半導(dǎo)體器件組成，而偏偏半導(dǎo)體器件溫飄特性相對(duì)來(lái)說(shuō)就是比較大。那么也就是RC振蕩電路的周期就不準(zhǔn)了，溫度高的時(shí)候和溫度低的時(shí)候，周期不一樣。所以有些朋友家里安裝的電子時(shí)鐘，相對(duì)來(lái)說(shuō)，時(shí)間一長(zhǎng)，就容易不準(zhǔn)，其實(shí)很大一部分原因就是這個(gè)產(chǎn)品使用的芯片內(nèi)部的RC振蕩器。

但是有一個(gè)器件，能夠提供非常精準(zhǔn)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(gè)管腳添加上交變的電場(chǎng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械變形，這種機(jī)械變形反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般情況下，無(wú)論是機(jī)械震動(dòng)的振幅，還是交變電場(chǎng)的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場(chǎng)達(dá)到某一個(gè)特定值的時(shí)候，振幅陡然增大，產(chǎn)生共振。這個(gè)頻率，我們稱之為石英晶體的諧振頻率。

那么我們單片機(jī)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(guò)程，才有可能搞清楚設(shè)計(jì)上需要注意的地方。

我們單片機(jī)上的晶振電路，本質(zhì)上就是電容三點(diǎn)式震蕩電路的改進(jìn)版。那么我們要講清楚單片機(jī)上的晶振電路，就要講清楚以下幾個(gè)問(wèn)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(diǎn)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(diǎn)式振蕩電路的改進(jìn)方向是什么，石英晶體震蕩器符合電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)方向么？第四，我們單片機(jī)內(nèi)部電容三點(diǎn)式震蕩電路一般是怎么實(shí)現(xiàn)的，我們?cè)O(shè)計(jì)晶振電路的時(shí)候有哪些需要注意的地方。在講解這些地方的時(shí)候，我們盡量減少公式的表達(dá)，更多的追求直觀的理解，畢竟我們的目的不是去設(shè)計(jì)單片機(jī)的晶振電路。

我們說(shuō)正弦波震蕩電路起振的條件，主要是兩個(gè)條件，一個(gè)是必須要引入正反饋，也就是說(shuō)反饋信號(hào)必須要能夠替代輸入信號(hào)；第二個(gè)要有外加的選頻網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而用來(lái)確定震蕩的頻率。我們下面來(lái)看一下，常見(jiàn)的電容三點(diǎn)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(duì)A點(diǎn)輸入的信號(hào)進(jìn)行了放大。同時(shí)三極管的基極和射極信號(hào)是反向的，這個(gè)是三極管本身的特性導(dǎo)致的。如果對(duì)這個(gè)不熟悉的話，大家可以下去看看三極管的知識(shí)。那么三極管在這里也就是提供了兩個(gè)功能，一個(gè)是信號(hào)的幅值放大（當(dāng)然放大的倍數(shù)可以通過(guò)調(diào)整Rc和Re等進(jìn)行調(diào)節(jié)），另一個(gè)功能提供了信號(hào)的相位的反相（圖中A點(diǎn)和B點(diǎn)信號(hào)）。

圖中黑色虛線中的部分，就是電容三點(diǎn)式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生共振的時(shí)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(wú)窮大，也就是說(shuō)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(diǎn)接地，C點(diǎn)電壓超前B點(diǎn)90度，D點(diǎn)電壓又超前C點(diǎn)90度，那么D點(diǎn)電壓是不是超前B點(diǎn)180度呀。D點(diǎn)電壓超前B點(diǎn)180度，那是不是說(shuō)D點(diǎn)的波形和B點(diǎn)是反向的呀。D點(diǎn)的波形和B點(diǎn)是反向的，B點(diǎn)的波形和A點(diǎn)是反向的，那么D點(diǎn)的波形和A點(diǎn)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(gè)電路參數(shù)得當(dāng)，那么就會(huì)產(chǎn)生正弦波。

這個(gè)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(guò)調(diào)整C2/C3的值，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(shì)反而不明朗了。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，C2/C3的值既不能太大，也不能太小，具體指只能靠測(cè)試來(lái)設(shè)定。電容三點(diǎn)式震蕩電路，相對(duì)來(lái)說(shuō)它的缺點(diǎn)也在于此，通過(guò)調(diào)節(jié)電容去調(diào)節(jié)頻率的話，會(huì)影響起振條件，但是通過(guò)調(diào)節(jié)電感辦法來(lái)調(diào)節(jié)震蕩頻率，實(shí)現(xiàn)上又會(huì)比較困難。

通過(guò)LC諧振點(diǎn)的公式來(lái)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(shí)候，比如和電路的雜散電容一個(gè)級(jí)別的時(shí)候，我們就很難確定震蕩的頻率了，因?yàn)殡s散電容的電容值幾乎很難確定。那么我們有沒(méi)有其他辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？如果我們把C2、C3電容的容值設(shè)定在遠(yuǎn)大于雜散電容，那么雜散電容對(duì)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(huì)相對(duì)來(lái)說(shuō)非常穩(wěn)定。那么問(wèn)題來(lái)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(gè)小電容C，同時(shí)C<

分析完了電容三點(diǎn)式震蕩電路，那么我們看一下晶振怎么參與進(jìn)來(lái)。因?yàn)槲覀兦懊嬉呀?jīng)提到了，我們單片機(jī)電路的晶振模塊本質(zhì)上也是電容三點(diǎn)式震蕩電路。要看清楚這個(gè)問(wèn)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(shí)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(gè)值大概是幾mH到幾十mH。電容C等效為晶振的彈性，這個(gè)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(gè)值大概在100R，當(dāng)然理想情況下這個(gè)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(gè)pF。那么實(shí)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(diǎn)式振蕩電路，我們更希望利用的其實(shí)是晶振的慣性部分，也就是電感部分對(duì)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(lái)穩(wěn)定的，不是靠我們上面提到的那個(gè)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(wú)源晶振，單片機(jī)內(nèi)部的更高頻次的震蕩信號(hào)，是通過(guò)分頻器和鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

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

當(dāng)晶振的LCR電路發(fā)生諧振的時(shí)候，這個(gè)回路呈現(xiàn)純阻性，等效電阻為R。諧振頻率fs=1/(2πsqrt(LC))。當(dāng)f低于fs的時(shí)候，C0這里起到主導(dǎo)作用，晶振呈現(xiàn)容性。當(dāng)f大于fs的時(shí)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(gè)具體的公式大家可以下去推導(dǎo)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?yàn)镃遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C0，所以fs和fp是不是無(wú)限接近呀。那么也就是說(shuō)晶振只有在很窄的頻率范圍內(nèi)，才會(huì)呈現(xiàn)感性。

回到我們前面提到的電容三點(diǎn)式震蕩電路，晶振只在一個(gè)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(shuō)用晶振組成的三點(diǎn)式震蕩電路，它的頻率會(huì)非常穩(wěn)定呀。具體電路設(shè)計(jì)如下圖所示。那這樣，我們使用晶振搭建的電容三點(diǎn)式震蕩電路就算完成了。

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

我們大體可以把這個(gè)反相器等效成一個(gè)三極管，外部晶振和電容組成的單元完成了選頻和信號(hào)的相移。反相器輸入端的信號(hào)是流經(jīng)R1的電壓信號(hào)和流經(jīng)R2的信號(hào)的疊加，R1和R2這里可以看成一個(gè)是正反饋電阻和一個(gè)正反饋電阻，這兩個(gè)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(hào)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(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)晶振模塊有什么指導(dǎo)意義呢？

比如有時(shí)候，我們這兩個(gè)電容不焊接，晶振也能起振。那這是為什么呢？通過(guò)我們前面的分析，晶振起振必須要有這兩個(gè)電容的參與是吧，要不然無(wú)法實(shí)現(xiàn)選頻和信號(hào)反向。但是這里究竟是為什么呢？主要的原因就是因?yàn)槠鋵?shí)對(duì)于C1和C2來(lái)說(shuō)，本身這兩個(gè)電容就很小，比如我們常用的一般是12pF，15pF等等。有時(shí)候，雜散電容就會(huì)接近這個(gè)級(jí)別。那么這個(gè)時(shí)候，晶振也會(huì)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(guò)這種方式去節(jié)省成本。

電容C1兩端的電壓對(duì)反相器的輸入起到比較重要的作用。如果C1過(guò)大，同樣的電流加在C1上的電壓信號(hào)是不成就變小了，這是不是相當(dāng)于反饋信號(hào)變?nèi)趿?？其?shí)這個(gè)對(duì)晶振起振是相當(dāng)不利的。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果C1過(guò)小，它本身存儲(chǔ)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(shí)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(duì)于環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜的工控類的項(xiàng)目，建議最好不用使用無(wú)源晶體振蕩器，選擇有源的晶振就可以了。

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