晶振振荡的原理分析

时间： 2024-06-20 来源：惠源晶工官网

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晶振能否稳定振荡，主要取决于能量损耗的大小及放大电路的补偿能力。在晶振振荡时，晶振损耗由晶振等效阻抗的实部Re决定，Re代表了晶振串入到振荡电路中的等效电阻，也被称为等效串联电阻，记作ESR。ESR数值越大则晶振在振荡时的损耗就越大，就越容易导致晶振振荡不稳定甚至停振，反之ESR越小则晶振越容易起振。　晶振ESR的具体数值一般由生产厂家给出，每个晶振振荡所允许的ESR值都有一个极限[敏感词]值，如果超/gmc被称为增益裕量。晶振选型时，主要依据生产厂家给出的晶振标称频率f、CL、Co和ESR。首先要使负载电容CL达到厂家规定的数值，这样才能获得晶振的标称频率；其次依据式计算晶振所要求的反相放大器最小跨度，最后据实际电路的反相放大器跨度（一般由其所在集成芯片的数据手册给出）计算增益裕量，如果发现增益裕量低于５，则说明所选晶振不利于起振，应该选择ESR更小或者CL更小的晶振，然后再重新判断是否满足起振要求。

实验设计遵照工程教育专业认证中的OBE教学理念，以学生为中心，将实际工程中的Pierce晶体振荡器振荡设计融入实验，主要从工程教育专业认证提出的“工程知识”“问题分析”和“探究”等３个方面的毕业要求入手，着力培养学生解决复杂工程问题的能力。

该阶段主要目标是培养学生自主学习并掌握相关“工程知识”的能力，具体任务为：

（1）深入学习Pierce晶体振荡器振荡的工作原理，依据巴克豪森准则或负阻原理分析晶体振荡器振荡工作过程，并分组讨论负载电容对晶体振荡器振荡的影响；

（2）可联系中山惠源晶工电子科技有限公司晶振生产厂家周生18988560840（微信同号）给到晶振数据手册，了解晶振主要参数及特性；到ST（意法半导体）公司网站下载STM32F103微处理器数据手册，了解该处理器晶振电路参数，并说明如何据此选择满足要求的晶振；

（3）应用74HC04U设计一个８ＭＨz的Pierce晶体振荡器振荡，并给出测试负载电容对晶体振荡器振荡性能影响的方法与实验步骤；

（4）分析负载电容分别为６pF和12pF的32.768 kHz晶振对STM32F103处理器LSE时钟性能的影响，并设计测试步骤。

课上实验侧重于培养学生面向工程实际的“问题分析”能力，主要包含以下两方面内容：

（1）应用74HC04U等器件，在通信电子电路综合实验箱上搭建一个８ＭＨz的Pierce晶体振荡器振荡电路，调节反馈电阻和负载电容，分别测试示波器探头在×1和×10情况下的输出波形和晶体振荡器振荡频率，并详细记录波形与频率变化情况；

（2）分别测量STM32F103处理器LSE时钟在32.768 kHz晶振负载电容为６pF和12pF的起振时间和晶体振荡器振荡频率，测试次数不少于10次，每次测试间隔５s以上时间，详细记录每次测量数据及出现的实验现象，特别是“偶发的”或“反常的”实验现象。晶振掌握的工程及理论知识往往不能充分地解释或阐明实验现象和实验问题，需要学生在课后针对实验中出现的问题、现象，深入探究实验表象后面的工程技术知识和理论问题，并在此基础上形成具有实践意义的指导性原则或方法。

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