标签: 晶振

单片机可以正常运行的一个因素就是 晶振的稳定性 。在工作过程中，晶振可能会受到电磁干扰的影响，导致单片机发生故障，甚至出现死机的情况。今天，凯擎小妹将与大家探讨晶振在电磁干扰下对单片机的影响。 单片机 单片机是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）以及输入输出接口（I/O）的微型计算机。它们被广泛应用于从家用电器到工业自动化系统的各个领域。 单片机主要功能： 控制功能；数据处理；通信接口；实时操作。 晶振与电磁干扰 晶振利用压电效应产生稳定的时钟信号，为单片机提供必要的时序基准。电磁干扰是指外部电磁场对电子设备的正常工作产生的干扰。直接影响单片机的时序精度，导致其无法正常执行指令。 晶振受到电磁干扰： 频率漂移；相位噪声增加；信号失真... 单片机死机的原因 当晶振受到电磁干扰导致时钟信号不稳定时，单片机可能会出现以下问题： 程序计数器错误 → 程序执行异常 数据传输错误 → 影响外设通信和数据处理 看门狗定时器失效 → 系统无法自动复位 系统死机 → 无法继续执行任务 如何选择合适的晶振 为了防止电磁干扰对晶振的影响，以下是选择合适晶振的建议： 频率稳定性：选择具有高频率稳定性的晶振，以确保在各种环境条件下都能提供稳定的时钟信号。对于高精度应用，通常要求在±10ppm或更低。 抗干扰能力：选择具有良好抗干扰能力的晶振。扩频晶振通过扩频技术提供更好的抗干扰能力，适用于对电磁干扰敏感的应用场景。 封装类型：直插封装适合需要较强物理连接的应用，而贴片封装适合高密度和小型化设计。选择适合应用环境的封装类型可以提高晶振的稳定性和可靠性。 温度范围：确保晶振能够在设备的工作温度范围内正常工作，避免因温度变化导致的频率漂移。工业应用通常需要宽温度范围的晶振-40°C至+85°C或更宽。

晶振波形的质量直接影响系统的性能和稳定性。在实际应用中，晶振的输出波形可能出现失真，导致信号不完整。今天凯擎小妹详细解释一下波形失真的原因。 1. 无源晶振负载电容不匹配： 谐振器需要匹配外部谐振电路才可以输出信号，自身无法振荡。如果电容值过大或过小，可能会导致振荡波形畸变或振荡不稳定。 2. 电路设计缺陷： 在振荡线路的设计中，必须提供适当的功率使石英晶体谐振器开始振荡并维持振荡。为了保证稳定性和长期可靠性，在振荡线路设计中应该避免过高的驱动功率。PCB布局不合理可能会引入寄生电容和寄生电感，影响晶振的正常工作。例如，晶振的走线过长或靠近高频干扰源，会引起波形畸变。 3. 电源不稳定： 晶振振荡电路通常对电源稳定性要求较高。如果供电电压波动过大或存在过多的噪声，会影响振荡器的工作状态，导致波形失真。 4. 元件质量问题： 低品质或老化的晶振可能会出现频率漂移、信号幅度减小等问题，最终导致波形失真。晶振工作时依赖于外部电阻、电容等元件。如果这些元件参数偏差过大，可能导致振荡波形畸变。 5. 环境因素： 普通石英晶振的频率会随温度变化而漂移，影响时钟信号的精准度。使用温补晶振TCXO或恒温晶振OCXO可以有效减小温度对波形的影响。高湿度可能影响晶振的封装和内部结构，进而影响波形质量。外部机械振动可能导致晶振的物理结构受到冲击，导致短时间内的波形抖动或失真。可采取适当的防护措施，如密封封装和避震设计。 6. 电磁干扰： 高速频率源是电子电路中电磁干扰的主要来源。为降低高速数字系统带来的电磁干扰，可使用消除电磁波干扰晶振，也称扩频晶振、KM系列。

在选购或者使用晶振时，我们经常会听到 频率准确度 和 频率稳定度 这两个概念。虽然两者都与晶振的频率变化相关，但它们的关注重点不同。 1. 频率准确度 频率准确度是指晶振的实际输出频率与其标称频率之间的偏差。通常用ppm来表示。数值越小，表示晶振的实际频率越接近理想值。对于要求精确计时或高精度通信的应用，频率准确度越高越好。如果误差过大，可能会导致数据同步错误、通信频率漂移，甚至系统故障。 1.1 影响准确度的因素 制造公差：即使是同一批次的晶振，也可能会有细微的加工误差。 初始调节误差：出厂校准时可能会有微小的误差。 温度变化：虽然25°C室温下的准确度较高，但温度变化会影响晶振频率。 电源电压变化：供电电压的波动可能会导致频率偏移。 1.2 规格书参数解读 假设8MHz的晶振， 调整频差 为±10ppm。这个晶振在25°C室温下，实际频率可能为： 8MHz±(10×10⁻⁶×8MHz) = 8MHz ± 80Hz 即7.999920MHz到8.000080 MHz 2. 频率稳定度 频率稳定度描述的是晶振的频率随时间、温度、电源电压、机械振动等因素变化的程度。它衡量的是在不同环境条件下，晶振频率的漂移情况。 2.1 影响的因素 温度变化：温度是影响频率稳定度的主要因素，不同晶振的温漂不同。 电源电压波动：电压变化会影响晶体的振荡频率。 老化：晶振的频率会随着时间逐渐变化，通常以“ppm/年”表示。 机械振动和冲击：外部振动或冲击可能导致晶振频率瞬时漂移。 2.2 规格书参数解读 假设10MHz的温补晶振(KT20)，当温度在-40~85°C之间变化时，它的频率最多偏离标称值±0.5ppm。这个晶振的频率变化为： 10MHz±(0.5×10⁻⁶× 10 MHz) = 10MHz ± 5 Hz 即9.999995 MHz到10.000005 MHz 凯擎小妹总结 频率准确度：出厂时的频率偏差，决定了初始的精确程度。 频率稳定度：随时间和环境变化的漂移，决定了长期使用的可靠性。 参数 频率准确度 频率稳定度 定义 出厂时的实际频率与标称值的偏差 频率随环境因素（温度、电压、时间等）变化的程度 单位 ppm、ppb、% ppm、ppb、Hz 影响因素 制造误差、初始校准、温度、电压 温度、电压、老化、机械振动 时间 相关 性 某一时刻的准确性 随时间或环境变化的稳定性 适用 场景 GPS、通信同步、测量仪器 高精度时钟、导航系统、实验室设备

电子设备中，晶体振荡器是提供稳定时钟信号的关键组件。随着对频率稳定性要求的提高， 普通晶振 在某些场景下已经无法满足需求，因此 高稳定性晶体振荡器(简称：高稳晶振) 应运而生。如果您需要更高精度的时钟信号，建议您考虑使用高稳晶振，确保设备在复杂环境下依然能保持稳定可靠的运行。晶体能够利用压电效应在外加电场作用下产生稳定的振荡信号。由于石英材料具有极高的品质因数Q值，晶振能够提供精准的频率输出。根据不同的需求，晶振可以分为 无源晶振和有源晶振 ： 无源晶振：本身不含振荡电路，需要与MCU或外部振荡电路配合使用。 有源晶振：内部集成了振荡电路，直接输出稳定的时钟信号，无需额外电路支持。 随着电子设备对高精度时钟的需求不断增加， 高稳晶振 成为重要的升级选择。常见的高稳晶振有温补晶振TCXO和恒温晶振OCXO，在不同的应用场景下表现出更高的频率稳定性。 普通晶振 高稳晶振 频率稳定 受温度、电压、老化影响较大，通常在±10ppm~±100ppm TCXO具有温度补偿，可达 ±0.5ppm；OCXO具备恒温控制，可达±0.001ppm 温度 随温度变化较大，频率漂移明显 TCXO通过电路补偿温度影响；OCXO采用恒温腔，极大降低漂移 老化 长期使用频率漂移较大，每年可能漂移±3ppm以上 TCXO每年漂移 ±1ppm；OCXO可低至±0.02ppm 功耗 低功耗，通常在毫瓦级 TCXO功耗略高；OCXO由于恒温控制，功耗可达百毫瓦到瓦级 成本 低成本，适用于大规模量产 TCXO成本较高，OCXO最高，适用于高端应用 应用 计算机、家电、一般通信设备 TCXO应用在GPS、无线通信；OCXO应用在高精度测量、卫星通信 在选择晶振时，需要考虑应用的具体需求： 如果对成本敏感，且频率稳定性要求不高，可以选择普通晶振。 如果环境温度变化较大，但仍需较高的稳定性，建议选择温补晶振。 如果对频率精度和长期稳定性要求极高，恒温晶振是最佳选择。

电子设备中，晶体振荡器是提供稳定时钟信号的关键组件。随着对频率稳定性要求的提高， 普通晶振 在某些场景下已经无法满足需求，因此 高稳定性晶体振荡器(简称：高稳晶振) 应运而生。如果您需要更高精度的时钟信号，建议您考虑使用高稳晶振，确保设备在复杂环境下依然能保持稳定可靠的运行。晶体能够利用压电效应在外加电场作用下产生稳定的振荡信号。由于石英材料具有极高的 品质因数Q值 ，晶振能够提供精准的频率输出。根据不同的需求，晶振可以分为 无源晶振和有源晶振 ： 无源晶振：本身不含振荡电路，需要与MCU或外部振荡电路配合使用。 有源晶振：内部集成了振荡电路，直接输出稳定的时钟信号，无需额外电路支持。 随着电子设备对高精度时钟的需求不断增加， 高稳晶振 成为重要的升级选择。常见的高稳晶振有 温补晶振TCXO 和 恒温晶振OCXO ，在不同的应用场景下表现出更高的频率稳定性。 普通晶振 高稳晶振 频率稳定 受温度、电压、老化影响较大，通常在±10ppm~±100ppm TCXO具有温度补偿，可达 ±0.5ppm；OCXO具备恒温控制，可达±0.001ppm 温度 随温度变化较大， 频率漂移 明显 TCXO通过电路补偿温度影响；OCXO采用恒温腔，极大降低漂移 老化 长期使用频率漂移较大，每年可能漂移±3ppm以上 TCXO每年漂移 ±1ppm；OCXO可低至±0.02ppm 功耗 低功耗，通常在毫瓦级 TCXO功耗略高；OCXO由于恒温控制，功耗可达百毫瓦到瓦级 成本 低成本，适用于大规模量产 TCXO成本较高，OCXO最高，适用于高端应用 应用 计算机、家电、一般通信设备 TCXO应用在GPS、无线通信；OCXO应用在高精度测量、卫星通信 在选择晶振时，需要考虑应用的具体需求： 如果对成本敏感，且频率稳定性要求不高，可以选择普通晶振。 如果环境温度变化较大，但仍需较高的稳定性，建议选择温补晶振。 如果对频率精度和长期稳定性要求极高，恒温晶振是最佳选择。