在日常使用晶体振荡器时应该如何正确的使用石英晶体振荡器？如何应用？

在设计新电子电路时，设计工程师通常需要考虑石英晶体或石英晶体振荡器哪一个是合适的选择：可用空间有多少？频率稳定性的要求是什么？组件及开发该部分电路的成本如何？

少量使用——振荡器是合适的选择

通过使用石英晶体，设计工程师可以构建任何振荡电路。那么，为什么即使在像时钟生成这样的简单应用中，也经常使用现成的振荡器呢？显然，原因不仅仅是所需的频率稳定性。确保启动条件以及在任何所需环境条件下的可靠性也起着作用。此外，使用石英晶体需要一定的努力来使电路适应晶体，并确保电路的可靠启动性能。

因此，对于小批量生产，推荐为了节省设计成本而使用更昂贵的石英晶体振荡器而不是晶体。使用石英晶体振荡器时，不需要像石英晶体那样的额外外部元件。这也可能节省PCB上的空间。石英晶体振荡器易于获得，例如尺寸为7 x 5 毫米的SMD振荡器，甚至更小（图1）。微控制器手册通常包含如何使用外部石英晶体振荡器的信息。

通过晶体和分立元件自行构建振荡电路可能在大批量生产或未使用带内部振荡器的IC时才具有经济性。可选择Pierce振荡器或Colpitts振荡器。此外，还可以通过适当的反相器电路反馈来创建振荡器（图2）。

晶体在微控制器中的应用

大多数微控制器已经包含时钟电路的基本元件。为了将电路完成为Pierce或Colpitts振荡器类型，只需要一个晶振和其他外部无源元件。微控制器的应用手册中描述了必要的详细信息。为了最小化任何寄生效应，从微控制器到晶体电路的所有连接应尽可能短。

在40 MHz及以上频率下，使用了泛音晶体。这些泛音晶体需要一个特殊的滤波电路来抑制基频模式。滤波电路由电容和电感组成。如果省略滤波器，电路将以其基频模式振荡（例如：预计3次泛音晶体在48 MHz振荡，电路实际上在16 MHz振荡）。使用泛音晶体的振荡器电路应非常精确设计并进行极其仔细的测试。

带外部晶体的皮尔斯石英晶体振荡器（基频模式）

如果微控制器配备了皮尔斯振荡器配置，晶体将像图3（C1和C2）中那样连接到两个电容上。对于高于4 MHz的频率，不需要额外的串联电阻，因为适当的串联电阻通常会包含在微控制器的反相器级中。此外，高阻电阻集成在微控制器中，以调整直流工作电压（图3中为1 MΩ）。CS1和CS2包括微控制器的输入和输出电容，以及印刷电路板上导电路径贡献的其他电容。通过外部电容C1和C2，整个电路电容与晶体CL的规定负载电容相适应：

示例：提供负载电容 CL = 16 pF。假定 CS1 = CS2 = 12 pF，可评估外部电容为 C1 = 15 pF 和 C2 = 27 pF。这些应作为后续优化的初始值。C1 小于 C2，以提高电路的启动性能。

晶体电路在频率与晶体的实际谐振频率匹配时处于最佳状态。晶体在其规定的负载电容下的实际谐振频率可在其测试记录中查到。测量频率时应避免探针的任何反馈。通常可以通过在微控制器的另一个端口测量频率来实现。如果晶体因电容过载，频率将低于所需值（否则频率将高于所需值）。

皮尔斯振荡器的串联电阻

如上所述，对于频率低于 4 MHz 的皮尔斯振荡器配置的微控制器，可能需要外部串联电阻。串联电阻 RV 有助于抑制不需要的谐波，并且可以将内部振荡器与由 C1、C2 和晶体组成的外部 π 型电路匹配。串联电阻 RV 的评估方法如下：RV 与电容 C2 串联，因此起低通滤波器的作用（图 2）。C2 的数值应已知。通过选择 RV，截止频率 fT 应在基频和第三谐波之间（公式 2 和 3）。

示例：晶体谐振频率 2 MHz，且提供 C2 = 22 pF。因此，fT = 2 x 2 MHz = 4 MHz，RV = 1.8 kΩ。

带外部晶体的Colpitts振荡器（基频模式）

如果微控制器提供Colpitts振荡器配置，微控制器显示的电路如图所示。

4. 电容器C1和C2按公式（1）选择。

示例：已提供CL = 16 pF。假设CS1 = CS2 = 10 pF，则外部电容器可计算为C1 = C2 = 22 pF。如上所述，频率应在没有任何探头反馈的情况下测量。

仅带有一个输入端口用于基频模式晶体的微控制器

有时微控制器手册只显示一个晶体输入端口。如图所示，晶体以及一个电容器接地。5. 微控制器制造商的意图可能是调整负载电容，或确保晶体的直流隔离（或两者）。

一个可行的解决方案是选择一个电容值，该值大致与晶体指定的负载电容相同（公式4）。

示例：提供的 CL = 16 pF。优化的合适初始值为 C1 = 16 pF。此数值应通过无反馈的频率测量分别进行检查和校正。

启动裕度应始终进行检查。

为了检查晶体是否能够可靠地启动振荡，可以在晶体串联焊接一个电阻。表面贴装电阻最适合此测试。即使电阻值比晶体最大指定谐振电阻高 X 倍，电路仍应振荡。

晶体的最大指定谐振电阻可以在其数据表中找到。X 倍应在整个所需温度范围内为 3 到 5。对于特殊应用，甚至可以使用更高的 X 倍。

示例：提供的谐振电阻 R1,max = 100 Ω。如果电路用于工业用途，即使手动焊接的测试电阻值为 300 Ω 到 500 Ω，电路也应能正常工作。

结论

对于较小数量的应用，使用振荡器比晶体更经济。振荡器易于使用并且提供可靠的操作。对于较大量的应用，并且仅作为简单的时钟发生器使用时，晶体比振荡器更合理。本文介绍了如何评估所需的外部元件。此外，还介绍了一种检查启动性能的简单方法。