我們常常看到一句話：晶振是單片機系統的“心臟”。

為什么這么說呢？單片機內部電路工作需要統一的節奏，類似于跑步打節拍，節奏對了才能有條不紊的各自行事。如果沒有時鐘，單片機壓根就無法工作；如果時鐘不對，單片機內部就會混亂不堪，也無法正確的工作。

晶振是如何產生時鐘信號的？

在使用時，需要關注哪些參數？

還有哪些不為人知的秘密？

今天就來深挖一下晶振，看看它還是你認識的那個晶振嗎。

晶振產生時鐘信號的起源

其實我們工程師為了方便，縮寫了晶振，全稱則是 晶體諧振器 ，是由石英晶體片或陶瓷晶體片經過加工并鍍上電極而做成的。

石英晶體或陶瓷晶體片有一個特殊的特性——壓電效應，就是當我們在晶體上施加電壓時，晶體中的晶格在電場力的作用下內部會出現較強的內應力而發生變形，晶體在電場的作用下，其內應力和形變都會發生變化，產生機械振動。當電場消失后，晶體的變形也會隨之消失。

當我們給晶振通入一個穩定的交變信號，晶振就會產生穩定的機械振動，下圖所示為晶振的符號和等效電路。

晶振兩端施加的交變信號頻率等于晶振諧振頻率時，晶振的電抗為0呈現電阻特性。諧振頻率也是晶振等效電路中C1,L1,R1串聯支路的諧振頻率，故也稱 串聯諧振頻率 。

晶振的反諧振頻率指的是整個等效電路的諧振頻率也稱并聯諧振頻率。當輸入信號的頻率接近并聯諧振頻率時，晶振的電抗趨于無窮大。

從Fa到 Fs之間的區域就是通常所謂的 “并聯諧振區” 也是晶振正常工作的區域了。在此區域晶振呈電感特性，從而帶來了相當于180 °的相移。

那么在實際電路設計中，誰來提供穩定的交變信號呢？就是單片機（芯片）了。具體的參考電路如下圖所示。通常皮爾斯振蕩電路的晶振振蕩電路，其實就是由單片機內部的反相器和反饋電阻，與外部的兩個電容組成。有了芯片提供突變信號晶振就可以產生頻率穩定的振蕩信號了。

不同晶振的區別

上面簡述的這部分晶振的特性，都是用來描述無源晶振（Crystal/Xtal）的，那晶振都有哪些分類呢？我們以村田的晶振為例，晶振的分類主要有陶瓷無源晶振(Ceramic Resonator)、石英無源晶振(Crystal Resonator)、有源晶振(Oscillator/XO)、溫度補償晶振(TCXO)、預編程晶振。

陶瓷無源晶振： 通過人工技術處理，將細微的粉末給予壓電效應后燃結成型，制作成所需要產品的尺寸，且陶瓷頻率受壓電材料厚度決定，頻率與厚度成正比關系，厚度越厚頻率越大。陶瓷晶振的精度比石英晶振低，但是制作成本低、起振時間短。在一些消費類電子和汽車電子中，能看到陶瓷晶振的身影。像村田的CSTNR_G/CSTCR_G系列就是適用在汽車應用上，安全控制、車身控制，電池控制等等。

石英無源晶振： 利用原生的石英材料切割成不同形狀加工制作，頻率受切割的軸向、大小及厚度的影響產生不同的頻率。石英晶振精度高，最高能達到±10ppm-300ppm，可運用到高精度儀器及設備中。例如村田的XRCGB25M000F1SBAR0，頻率25MHz，精度±10ppm，換算成百分比就是±0.001%。

有源晶振： 一個完整的振蕩器，里面除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件。

預編程晶振： 把晶振參數，如頻率偏差、工作電壓、負載電容、頻率等提供給晶振廠家，通過電腦等設備編程，將頻點、精度、頻差等些參數寫入空白芯片。

晶振該如何選型

說完了晶振的種類，那么在實際應用中，我們選晶振時，應該關注晶振的哪些特性？

一般情況下，我們需要根據自己的應用，選擇晶振的類型，比如是有源的還是無源的。如果是無源的話，需要關注下面這些參數：

1）標稱頻率： 在晶振的外殼上可以找頻率，不同晶振對應不同的頻率，選擇多大頻率的晶振，取決于系統的要求，比如STM32F103RCT6單片機的HSE時鐘輸入典型值是8MHz，因此選擇相應8MHz頻率的晶振即可。

2）精度： 指的是晶振的頻率相對于標稱值的最大允許偏差，一般用ppm來表示，即百萬分之一，值越小精度越高。在村田的官網上，我們看到精度由初始頻偏、溫漂、老化三部分組成。

頻率公差即初始頻偏，由于生產制造時不可避免的系統誤差而產生了晶振的頻率偏差，頻率溫度特性即溫漂大家很好理解，就是外界溫度變化帶來的頻偏，原廠會保證在晶振工作范圍內的最大頻偏，而頻率老化，車規應用關注的比較多，原廠會保證10-15年內的老化的頻偏。

3）ESR 等效串聯電阻： 晶振的內阻，和晶振的功耗有關系，如果ESR太高，功耗會增加，甚至無法起振。如果ESR越小，成本也會有所增加，因此可以根據實際情況進行選擇。

基本上所有的應用都需要晶振選型，比如在汽車電子應用中就涉及多個晶振，尤其是現在大火的ADAS。

晶振測試方法

最后，我們再講一講晶振的出廠測試，就是廠商對晶振出廠測試。出廠測試的內容可就非常多了，包括頻率偏差、負載電容、振蕩頻率、起振余裕度、激勵功率等專業參數測試。像村田就可以提供IC匹配的免費增值服務。對于上述測試有需求的客戶可以寄送到村田實驗室做匹配，然后應用工程師會直接把PCB送還。此外村田還提供上門測試的服務，能夠現場確認晶振的起振情況同時解答客戶的疑問。對于晶振的振蕩穩定性（起振余裕度（負阻）、激勵功率），頻率穩定性（頻偏）都有相應的測試方法。

對于晶振的振蕩穩定性（起振余裕度（負阻）、激勵功率），頻率穩定性（頻偏）都有相應的測試方法。拿振蕩頻率測試來說，需要頻譜分析儀、天線，按照下圖準備好測量設備：

測試時，讓天線盡可能靠近振蕩電路，但不能觸碰到振蕩電路，然后就可以讀取頻譜分析儀響應的峰值頻率。

如果你想學習關于晶振的指標參數專業的測試方法，可以下載文檔：在“達爾聞說”回復： 晶振測試 。