[初次发表 24-10-06 最后编辑：24-11-17]
写在前面：
1. 本篇将以Microchip的产品来写。我认为MCU公司里，Microchip在时钟方面的文章最多。Microchip的术语可能与其它公司不一样，但用法没区别，不影响理解。
2. 用“时钟源”这个术语，区别于MCU内部时钟分频产生的“时钟”。
通用型MCU允许使用外部时钟源。为了给应用MCU的人提供更多的便利，一般外部时钟源的频率范围都很宽。不过，频率只是外部时钟源器件选型和设计的三个要素之一，剩余两个要素后面会介绍。
外部时钟源的类型
-- 有源 (active) 时钟源：矩形波或正弦波输入，以Vss为基准。常见的是XO（晶体振荡器，或晶振）。
-- 无源 (passive) 时钟源：一种必须被振荡电路驱动的元件，例如各种谐振器（Resonator）、XTAL（晶体，crystal）。其中，谐振器需要的功率（功耗）比XTAL大。
引脚XIN和引脚XOUT
X是XTAL的缩写，是Crystal的谐音；IN是input、输入的意思而OUT是output、输出的意思。
XIN和XOUT之间实际上有一个振荡电路，叫做 Pierce 并联谐振振荡电路，原理图如下。图中有一个反相器，输出通过反馈电阻RF接回到输入，由此形成一个不稳定的电路。外接晶体和谐振电容后，这个电路会在单位增益上达到稳定，以单位增益对应的频率振荡。图中上部矩形框内的部分都是在MCU的芯片上实现的。
（图来自Ref 1）
XIN引脚总是要连接的，而XOUT引脚只在使用无源时钟源的情况下才用到。使用有源（active）时钟源的情况下，例如XO，外部信号发生器输出等，信号源的参考点是MCU的Vss。这时不需要MCU内的振荡器辅助，所以只需要接XIN一个引脚，XOUT引脚可悬空或复用其它功能。使用无源（passive）时钟源的时候，例如晶体和谐振器，其自身不能产生振荡信号，需要借助MCU内置振荡电路。这时，除了XIN引脚，必须用到XOUT引脚。
下面讨论XIN和XOUT两个引脚都被使用的情况，有几个应用要点值得关注。
1. 选择振荡电路驱动模式
应该根据时钟源的功率需求来选择适当的驱动模式。前面提到，无源外部时钟源中，和晶体相比，谐振器需要更高的驱动功率。对于晶体，和低频晶体（例如音叉结构的32.768kHz晶体）比，AT-Cut的晶体需要更高的驱动功率。为此，通用MCU除了内置振荡电路，还为振荡电路设计了不同的驱动功率，例如LS模式，XT模式和HS模式，功率就是递增的。
除了考虑时钟源的功率需求，还要关注振荡电路的电源电压，常常是MCU的电源电压。如果振荡电路的电压不足，那么其输出功率也会下降（电流增加受到芯片布线的限制）。例如，一个MCU的电源范围是1.8~5.0V，但是振荡电路的XT模式只能在3.0~5.0V有效。这时如果外接电源跌落到3.0V以下，那么外部时钟源就可能停振。而且，这样的电路在3.0V以上使用是正常的，但是转换为低功耗的1.8/2.5V时，就可能不工作。
2. 不要过度驱动
上面讨论了驱动功率不足导致的停振，接下来是因为驱动过度导致的晶体疲劳甚至破裂。
如
基础理论第006篇所述，充当时钟源的晶体是以压电效应工作的。 如果驱动电路给出的电压过高，那么晶体的振幅就会过大，从而缩短其使用寿命，甚至立即被破坏，形成寿命可靠性风险。
3. 检查时钟信号
怎样知道MCU的外部时钟源是不是“合适”？这就要提到正确的测量方法。
建议使用高输入阻抗的示波器探头（100:1）来测量XOUT的信号。该信号应该是低失真的正弦波。用普通的电压探头检查时，有可能因为探头本身的电容而改变振荡电路的特性，造成停振。
-- 如果发现波形被截顶或者畸变率高，那么就应该马上降低振荡电路的驱动功率，比如从HS降到XT。
-- 如果降到XT还是不能彻底解决问题，那么需要在晶体上串联一个电阻来消耗多余的功率。见上图的R1。
-- 如果振荡信号并没有工作在需要的频点上而是其某个倍频或者分频，也说明驱动功率不合适，需要立即调整。
最后，这样的检查应该在开发的各个阶段进行，不管是最初的功能样机还是过程样机，都是一样。如果修改了PCB设计，更换了晶体，更是需要检查。
下面简述一下PCB布线的注意事项。
外部时钟源和MCU之间形成的是一个振荡电路，这对于微弱信号调理以及EMC来说都是不利的。为此，应参照高频电路对待，做好PCB布线。
首先，电路回路小。外部时钟源，例如晶体，距离XIN/XOUT引脚不要超过15mm，最好是10~12mm。这个距离不至于有DFA问题。晶体和电容、电阻都优先选用小外形的产品；
其次，电场屏蔽。在PCB上用接地（或其它固定电位）导体把这个振荡电路围起来，形成Guard Ring（屏蔽环），然后屏蔽环一点接地。金属外壳的晶体，可以把金属壳用一根导线焊在PCB的地上，也有电场屏蔽的作用。引脚数较多的通用MCU，一般会在XIN/XOUT旁边安排一个Vss引脚，这个引脚是屏蔽环一点接地的最佳位置。引脚数较少的MCU可能没有这个脚，那么可以选择接在模拟地-数字地单点连接的位置；
最后，避免耦合。在振荡电路的区域不要排布其它的线路。对于双面和多层PCB，可以考虑振荡电路下方铜皮开窗；
下面是布线示例：
（图来自Ref2，单面板双晶体的做法）
（图来自Ref2，双面板单个晶体的做法）
扩展阅读
Ref
1. DS00838A. Basic PIC16/17 Oscillator Design. Mircochip
3. DS00949A. Making Your Oscillator Work. Microchip
/3 
电子知识打边炉 2024-10-19 13:38
当然，这样小的变化，对于10MHz以下的常用晶体来说看不太出来。为了改善EMC，越来越多的中高档MCU都内置锁相环，外接晶体的频率常常8MHz就够了。
stub是指这部分电路突出的部分吗？
luckyzy2000 2024-10-18 15:40