微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；基于相移电路的时钟源，如：RC (电阻、电容)振荡器。硅振荡器通常是完全集成的RC振荡器，为了提高稳定性，包含有时钟源、匹配电阻和电容、温度补偿等。

 

下图给出了两种时钟源。两种分立的振荡器电路，其中图a为皮尔斯振荡器配置，用于机械式谐振器件，如晶振和陶瓷谐振槽路。图b为简单的RC反馈振荡器。 

 

 

举例，一个振荡电路在其输出端串接了一个22K的电阻，在其输出端和输入端之间接了一个10M的电阻。

 

并联电阻

 

电路并联电阻是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器，将输入进行反向180度输出，晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移，整个环路的相移360度，满足振荡的相位条件，同时还要求闭环增益大于等于1，晶体才正常工作。Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器，反相器是不能驱动晶体震荡的。因此，在反相器的两端并联一个电阻，由电阻完成将输出的信号反向。电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路，形成放大器，当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振，由于晶体的Q值非常高，因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率，但会影响脉宽比的。

 

晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈，保证放大器工作在高增益的线性区，一般在M欧级，KHz晶振电路，并联电阻通常为10M欧，MHz晶振，并联电容通常为1M欧左右。

 

串联电阻

 

电路串联电阻常用来预防晶振被过分驱动。晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，并导致晶振的早期失效，又可以讲drive level调整用。用来调整drive level和发振余裕度。

 

电阻Rs常用来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升。可用一台示波器检测OSC输出脚，如果检测一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻Rs来防止晶振被过分驱动。判断电阻Rs值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的电阻Rs值。

 

输出端串联电阻与负载电容组成网络，提供180度相移，同时起到限流的作用，防止反向器输出对晶振过驱动，损坏晶振。其值的大小通常为几百K 欧姆较多，具体大小需要通过调试，根据过驱程度去选定串接多大电阻。

 

 

晶振本身的作用

 

振荡器是一种能量转换器，石英谐振器是利用石英晶体谐振器决定工作频率，与LC谐振回路相比，它具有很高的标准性和极高的品质因数，，具有较高的频率稳定度，采用高精度和稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到10-4~10-11稳定度。

 

基本性能主要是起振荡作用，可利用其对某频率具有的响应作用，用来滤波、选频网络等，石英谐振器相当于RLC振荡电路。

 

石英晶体俗称水晶，是一种化学成分为二氧化硅（SiO2）的六角锥形结晶体，比较坚硬。它有三个相互垂直的轴，且各向异性：纵向Z轴称为光轴，经过六棱柱棱线并垂直于Z轴的X轴称为电轴，与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）称为机械轴

 

 

石英晶体之所以可以作为谐振器，是由于它具有正（机械能→电能）、反（电能→机械能）压电效应。沿石英晶片的电轴或机械轴施加压力，则在晶片的电轴两面三刀个表面产生正、负电荷，呈现出电压，其大小与所加力产生的形变成正比；若施加张力，则产生反向电压，这种现象称为正电效应。当沿石英晶片的电轴方向加电场，则晶片在电轴和机械轴方向将延伸或压缩，发生形变，这种现象称为反压电效应。因此，在晶体两面三刀端加上交流电压时，晶片会随电压的变化产生机械振动，机械振动又会在晶片内表面产生交变电荷。由于晶体是有弹性的固体，对于某一振动方式，有一个固有的机械谐振频率。当外加交流电压等于晶片的固有机械谐振频率时，晶片的机械振动幅度最大，流过晶片的电流最大，产生了共振现象。石英晶片的共振具有多谐性，即除可以基频共振外，还可以谐频共振，通常把利用晶片的基频共振的谐振器，利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，一般能利用的是3、5、7之类的奇次泛音。晶片的振动频率与厚度成反比，工作频率越高，要求晶片越薄（尺寸越大，频率越低），这样的晶片其机械强度就越差，加工越困难，而且容易振碎，因此在工作频率较高时常采用泛音晶体。一般地，在工作频率小于20MHZ时采用基频晶体，在工作频率大于20MHZ时采用泛音晶体。

 

原理：压电效应

 

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

        

 

晶振的作用一句话简单说就是：选择频率，让跟自己固有频率相等的和接近的振荡荡起来。

 

对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以求低功耗)的系统。这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显，原因时上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择至少必须考虑：谐振频点，负载电容，激励功率，温度特性，长期稳定性。

 

本文转载自硬件十万个为什么。

 

参考文档

 

《晶振串联电阻与并联电阻有什么作用？》——晶科鑫官网

《晶振的原理》——百度文库

《示波器的使用方法图解》——工控资料窝

 

 

推荐阅读：