物聯網系統中為什么要使用晶振

物聯網系統中使用晶振的原因主要可以歸納為以下幾點：

提供穩定的時鐘信號

基礎功能：晶振在物聯網系統中的首要作用是提供穩定的時鐘信號。這是CPU執行指令所必需的，所有指令的執行都建立在這個時鐘信號的基礎上。

同步性：晶振能夠確保各個設備之間的工作調度按時完成，保證整個系統的正常運行。通過提供精準的時鐘信號，晶振有助于實現數據的同步傳輸，避免數據丟失或錯位。

保障數據傳輸的精準性

數據采集：在物聯網設備中，晶振提供準確的時鐘基準，有助于實現定時數據采集，確保數據采樣的準確性和可靠性。

時間同步：晶振提供的準確時鐘信號可以用于實現事件觸發和不同設備之間的時間同步。這對于物聯網系統中多個設備的協同工作至關重要，確保各設備之間的工作協調一致。

支持低功耗設計

節能模式：某些類型的晶振（如32.768kHz晶振）在節能模式下可以長時間運行低功耗設備，有助于延長物聯網設備的電池使用壽命。

提升系統穩定性

抗干擾能力：晶振在物聯網系統中有助于確保各個部件的時序完整性，防止信號干擾和失真情況的發生。這對于保障物聯網系統的正常運行和數據傳輸的精準性至關重要。

適應多樣化需求

多樣化應用：物聯網系統涉及廣泛的應用領域，如智能家居、智慧城市、工業控制等。不同應用對晶振的要求也不同，如頻率穩定性、功耗、尺寸等。因此，物聯網系統需要選擇適合自身需求的晶振產品。

技術發展趨勢

高頻高精度：隨著物聯網技術的不斷發展，對晶振的頻率和精度要求也在不斷提高。高頻高精度的晶振產品能夠更好地滿足物聯網系統的需求。

小型化低功耗：為了適應物聯網設備的小型化和便攜化趨勢，晶振產品也在不斷向小型化、低功耗方向發展。

綜上所述，物聯網系統中使用晶振是為了提供穩定的時鐘信號、保障數據傳輸的精準性、支持低功耗設計、提升系統穩定性以及適應多樣化需求。晶振作為物聯網設備中的關鍵組件，對于保障物聯網系統的正常運行和數據傳輸的精準性具有不可替代的作用。

本文會再為大家詳解電子元器件家族中的一員——晶振。

1.晶振原理

晶振具有壓電效應，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產生電壓。

2.晶振分類

晶振可分為有源晶振和無源晶振。

2.1無源晶振：

（1）無源晶振為晶體。一般為2引腳的無極性器件(部分無源晶振還有無極性的固定引腳)。

（2）無源晶振一般需借助與負載電容形成的時鐘電路才能產生振蕩信號。具體的推薦電容一般晶振的技術規格書中有介紹。(如：32.768K的晶振搭配12.5PF的電容）

（3）無源晶振產生的為正弦波信號。用示波器測一個引腳與地之間的波形。

（4）無源晶振需特殊的引腳搭配。如：XTAL1和XTAL2指的是8051系單片機上常見的用于接“晶振”的兩個引腳。從原理上來說，這兩個引腳和MCU內部一個反相器相連接。這個反相器與外部的“晶振”組成一個構成一個皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。

（5）無源晶振最小為誤差為5PPM。

無源晶振電路圖

2.2有源晶振：

（1）有源晶振為振蕩器，有4個引腳。

（2）有源晶振不需要CPU的內部振蕩器，信號穩定，質量較好，而且連接方式比較簡單。但價格相比無源晶振貴。

（3）有源晶振產生的信號為方波信號。（總有特例為正弦波信號）示波器測信號與GND之間。

（4）有源晶振供電便能產生一個時鐘信號。

（5）有源晶振誤差最小為0.1PPM。

有源晶振電路圖

3.常用特殊的晶振

3.1 關于32.768K晶振

32.768K的晶振常用于計時。常搭配12.5PF的電容。

T=1/32768。每震蕩32768次就是工作一秒。

32768是2的15次方。0x8000=32768。

將32768連接到一個16位的計數器，第16位每變化一次，正好就是1秒。

32768接的是計數器（計數器主要對脈沖的個數進行計數），所以沒有時鐘周期、機器周期、指令周期。

一些鐘表等常用32.768K的晶振原因：

32768為2的15次方，便于計算。

32768已經屬于低頻產品，低于32768晶振體積會變大，搭配的負載電容也會變大。

對于數字電路，工作頻率越高，就有更高的電路消耗，不利于續航。

3.2 關于11.0592M晶振

11.0592M的晶振常用于做串口通信，容易設置波特率。

震蕩周期、機器周期、指令周期。

時鐘周期、振蕩周期、節拍周期

時鐘周期又叫做振蕩周期、節拍周期，定義為時鐘晶振頻率的倒數。時鐘周期是計算機中最基本的、最小的時間單位。在一個時鐘周期內，CPU僅完成一個最基本的動作。例如晶振為12M，則時鐘周期為1/12us。又可以被定義為節拍。

機器周期

在計算機中，為了便于管理，常把一條指令的執行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。一般情況下，一個機器周期由若干個S周期（狀態周期）組成。比如，取值周期，取數周期。在80C51內部，機器周期一般包括于12個時鐘周期。例如24M的晶振，機器周期為12/24M秒。

指令周期

指令周期是指取出并完成一條指令所需的時間，一般由若干個機器周期組成，分為單周期指令，雙周期指令和多周期指令。

對于一些簡單的的單字節指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

3.2 關于12M晶振

12M的晶振易計算，12M晶振一個機器周期為1US。

4.晶振分頻與倍頻

4.1分頻：

當原來的信號經過n的周期，新的信號跳變一次，這樣新信號周期就是原信號的N倍,新信號頻率基于老頻率則叫N分頻。如震蕩周期與時鐘周期。

4.2倍頻：

與分頻相反，頻率是增大，當新頻率是之前頻率的N倍，則稱為N倍頻。倍頻是利用鎖相環（PLL）的原理進行頻率的增倍。如STM32單片機外接8M晶振，但是主頻卻能跑72M。

PPL電路原理：

一個晶振只有一個固有頻率，通過分頻，倍頻技術就可以擴展出很多頻率，使用靈活，不必每個頻率都要配一個對應的晶振。

5.晶振誤差

晶振誤差單位為PPM。

32.768KHZ，誤差為+10ppm 。則一天的誤差為：

10（PPM）*24(小時)*3600（一小時300秒）/100萬（PPM為百萬分之一）=0.864秒

一個32.768KHZ，誤差為+10ppm 的晶振，一天的時間誤差約為0.864秒。

供應商A：KDS

1、產品能力

（1）選型手冊

KDS晶振型號詳細分類_文檔之家

（2）主推型號1：1ZZNAE26000AB0L

對應的產品詳情介紹

大真空晶振型號1ZZNAE26000AB0L DSX211SH無源晶振,是目前市場常用封裝中體積最小的一款,具有超薄,超小,輕量化等優勢特點,被廣泛用于無線通信設備,智能家居,藍牙,數碼電子.

電氣特性

研發設計注意使用事項

焊盤2腳有缺角，與通常的定位腳在1腳的產品情況不同

PCB 中晶體振蕩電路設計

這里希望通過 PCB 布局來最小化振蕩器和外部信號之間的耦合，因為高頻耦合會激發晶體振蕩器的高次諧波，晶振是干擾外部電路的噪聲源。

具體有以下幾點需要注意：

A. 晶體振蕩器靠近微控制器

短走線具有低互感和電容，長走線具有高互感和電容。使晶體靠近微控制器可以縮短走線，從而減少耦合。所以走線的長度盡可能短，但不能與其他信號線交叉。

B、振蕩器電路與高頻電路隔離開

路由非振蕩器信號時，高頻電路要遠離振蕩器電路。也可以考慮使用帶有通孔的銅跡線，圍繞著振蕩器電路，這將減少外部信號線和振蕩器之間的互感。

振蕩器電路與高頻電路隔離開

通常的做法是將振蕩器電路下方的接地層分開，僅在一點點連接分離的接地層，就在微控制器接地旁邊。這可以防止來自其他信號源的返回電流通過振蕩器使用的接地層。上圖的示例就是按照這種方法，只是沒有很明顯。

C、晶振靠近 CPU 芯片擺放，但要盡量遠離板邊。

因為內部石英晶體的存在，由于外部沖擊或跌落容易損壞石英晶體，從而造成晶體不振蕩，在設計可靠的安裝電路時要考慮晶體，靠近 CPU 芯片的位置優先放置遠離板塊的一面。

晶振放置圖

（圓柱晶振）外殼接地后，加一個與晶振形狀相似的長方形焊盤，讓晶振“平放”在這個焊盤上，并在焊盤的兩個長邊附近開一個孔（孔要落在焊盤上，最好用多層焊盤代替孔，兩個多層焊盤要接矩形焊盤），然后用銅線或其他裸線將晶振“箍”起來，銅線的兩端焊接在你開的兩個孔或焊盤上。這樣可以避免高溫焊接對晶振的損壞，保證良好的接地。

D、手工或機器焊接時，要注意焊接溫度

晶振對溫度敏感，焊接時溫度不宜過高，加熱時間盡量短。

焊接圖片

E、耦合電容應盡量靠近晶振的電源管腳放置

放置順序：根據功率流向，按電容值從小到大排列，電容最小的電容值最接近電源引腳。

F、晶振外殼接地

晶振外殼接地（如果接地影響負載電容的話，就不能接地），既可以從晶振向外輻射，也可以屏蔽外界信號對晶振的干擾。

G、不要在晶振下方布線，確保完全鋪設好地線

在晶振 300mil 范圍內不要布線，以免晶振干擾其他布線、器件和層的性能。

H、時鐘信號的走線盡量短，線寬要大一些

時鐘信號的走線盡量短，線寬要大一些。在布線長度與熱源的距離之間找到平衡點。

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯中央庫 AM21EV5模組，鴿子定位器項目，XY1100 26M晶振

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

DKS 1ZZNAE26000AB0L

C253768_26MHZ7.3PF-40_+85℃_2018-09-21.PDF

供應商B: 嘉碩

1、產品能力

（1）選型手冊

TST_DM.pdf

（2）主推型號1: TX0395B

對應的產品詳情介紹

硬件參考設計

研發設計注意使用事項

PCB 中晶體振蕩電路設計

這里希望通過 PCB 布局來最小化振蕩器和外部信號之間的耦合，因為高頻耦合會激發晶體振蕩器的高次諧波，晶振是干擾外部電路的噪聲源。

具體有以下幾點需要注意：

A. 晶體振蕩器靠近微控制器

短走線具有低互感和電容，長走線具有高互感和電容。使晶體靠近微控制器可以縮短走線，從而減少耦合。所以走線的長度盡可能短，但不能與其他信號線交叉。

B、振蕩器電路與高頻電路隔離開

路由非振蕩器信號時，高頻電路要遠離振蕩器電路。也可以考慮使用帶有通孔的銅跡線，圍繞著振蕩器電路，這將減少外部信號線和振蕩器之間的互感。

振蕩器電路與高頻電路隔離開

通常的做法是將振蕩器電路下方的接地層分開，僅在一點點連接分離的接地層，就在微控制器接地旁邊。這可以防止來自其他信號源的返回電流通過振蕩器使用的接地層。上圖的示例就是按照這種方法，只是沒有很明顯。

C、晶振靠近 CPU 芯片擺放，但要盡量遠離板邊。

因為內部石英晶體的存在，由于外部沖擊或跌落容易損壞石英晶體，從而造成晶體不振蕩，在設計可靠的安裝電路時要考慮晶體，靠近 CPU 芯片的位置優先放置遠離板塊的一面。

晶振放置圖

（圓柱晶振）外殼接地后，加一個與晶振形狀相似的長方形焊盤，讓晶振“平放”在這個焊盤上，并在焊盤的兩個長邊附近開一個孔（孔要落在焊盤上，最好用多層焊盤代替孔，兩個多層焊盤要接矩形焊盤），然后用銅線或其他裸線將晶振“箍”起來，銅線的兩端焊接在你開的兩個孔或焊盤上。這樣可以避免高溫焊接對晶振的損壞，保證良好的接地。

D、手工或機器焊接時，要注意焊接溫度

晶振對溫度敏感，焊接時溫度不宜過高，加熱時間盡量短。

焊接圖片

E、耦合電容應盡量靠近晶振的電源管腳放置

放置順序：根據功率流向，按電容值從小到大排列，電容最小的電容值最接近電源引腳。

F、晶振外殼接地

晶振外殼接地（如果接地影響負載電容的話，就不能接地），既可以從晶振向外輻射，也可以屏蔽外界信號對晶振的干擾。

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯中央庫 AM21EV5模組，鴿子定位器項目，AT6558R 26M晶振

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

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審核編輯 黃宇