引言

晶振在单片机系统中扮演着至关重要的角色，它为系统提供基本的时钟信号。单片机中的晶振出现问题会导致整个系统无法正常工作。因此，晶振的测试至关重要。通过测试晶振的振荡频率、电压幅值、占空比、信号质量、起振时间等参数，可以有效地发现问题并进行分析。

1 背景介绍

晶振在单片机系统中发挥着核心作用。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。不同型号的单片机使用的石英晶振型号及频率也可能是不一样的。单片机中的晶振若是出了问题，单片机也就无法正常工作了。因此，若发现单片机无法正常工作，很大程度上可能是晶振问题造成的。通过对晶振的振荡频率、电压幅值、占空比、信号质量、起振时间等测试，可以观察到晶振的哪个参数出现了问题，有利于问题的查找和分析。

2 异常现象

判断一个晶振是否正常工作，就是看它的每一个参数是否符合要求。（1）无源晶振频率一般规定在标称频率的50ppm范围内，有源晶振在标称频率的30ppm范围内。（2）无源晶振电压幅值≧电源的70%，有源晶振电压幅值≧电源的85%。（3）占空比，要求高低电平各占一个周期的45%～55%。（4）晶振起振过程中应该平缓、无毛刺、无抖动。（5）过冲电平不得超过相应电平的20%。

现以运动控制器主控板、安全板中的晶振测试为例，列举在测试过程中出现的异常现象。

2.1现象一

主控板的百兆以太网中25MHz的无源晶振（见图1）。现象描述：在晶振起振过程中出现100us左右的抖动（见图2）。

2.2现象二

见图3。现象描述：占空比58.69%，超出正常范围45%～55%。

2.3现象三

见图4。现象描述：晶振上电过程中，在960us时，有3.8us的高电平，幅值3.4V（见图5）。

2.4现象四

见图6。现象描述：晶振电压幅值不符合芯片供电引脚电平，低电平要求在0V~0.99V，高电平要求在2.31V～3.3V，而实际测得晶振电平1.2V～2.3V。

3 异常原因分析

针对每种异常现象进行了详细的分析：

3.1 针对现象一

原因分析：将晶振与电源、复位同时测量，（重新测量晶振、复位、电源三者，问题能否复现？优化电源之后，晶振振荡明显减小，是否有直接联系）。

解决方案：是否可以通过减少晶振起振时间来错开电源对它的干扰。减少起振时间就是将其中一个电容调大另一个调小保证负载电容Cl不变（同现象三）。

3.2 针对现象二

原因分析：晶振占空比超出正常范围，初步认定是晶振本身的原因。根据晶体振荡器的物理特性，占空比主要由晶振内部的电容和电阻参数决定，现阶段无法通过外部参数来改变其占空比。

解决方案：做晶振匹配，参考厂家给出的负载电容电阻值。

3.3 针对现象三

原因分析：尖刺出现在晶振稳定振荡之前。只要晶振在复位之前稳定就不会对后端电路造成影响。所以，在测试晶振上电起振时，应该同时测量供电电压和复位信号。经测试发现OSC_OUT并没有上述现象产生，这就排除了探头反射的影响。

解决方案：做晶振匹配，参考厂家给出的负载电容电阻值。

3.4 针对现象四

原因分析：晶振的幅值超出了标准。通过对相关资料的查询和实际电路的测试，负载电容Cl会对晶振输出的中心频率、起振时间、振荡幅值有所影响。

解决方案：更换外部电阻电容，根据晶振匹配报告调整、试验。

经过多次试验，得出以下结论：

除了晶振内部原因，晶振外围电路也会对晶振工作波形造成影响：对于晶体谐振器：（1）增大负载电容，波形的幅值在减小（主要是波形的低值在增大，高值在减小）；查阅资料，在频率和负载电容准确的前提下，幅度偏小主要是由探头参数引起的，探头不匹配引起了反射。（2）负载电容的值增大到一定程度时，晶振频率会降低。（3）改变串联电阻，增大电阻值，晶振工作幅值减小，高低电平互相靠近。减小串联电阻，晶振工作幅值增大，高低电平相互远离。基于以上3点，选择合适的负载电阻电容至关重要。

针对不同的应用场景，应当选择合适的晶振（晶体谐振器或晶体振荡器）。晶体谐振器可以改变驱动电平但是不能改变占空比，晶体振荡器不能改变驱动电平但是可以改变占空比。

当然，示波器使用不当也会对晶振测试造成极其严重的影响。为了更好的信号保证度，最好使用接地弹簧。

示波器和示波器的探头也要满足带宽要求，至少需要5倍晶振中心频率的带宽，很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，这是因为示波器的带宽不够。例如：有源晶振20MHz，假如用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是因为方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。圆满的再现方波须要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100MHz的示波器。

再者，有条件的话最好选用内置频率计功能的示波器，因为一般示波器是基于周期测量结果来反算频率。

探头的输入电容比晶振的负载电容要大，当使用不恰当的探头进行测量时可能会引起反射甚至导致晶振停振。测量晶振时需要将探头档位调为X10档，X1档的带宽只有6MHz。减少探头输入电容，如果有条件，最好使用有源探头，有源探头通常输入电容能达到2pf以下。如图7和图8所示。

4 整改措施

针对每种异常现象提出了具体的整改措施：

4.1 针对现象一

整改措施：更换25MHz的无源晶振为有源晶振，其上电波形如图9所示。

正常工作波形如图10。有源晶振上电波形无异常，工作波形符合要求。

由于晶振自身负载电容太小，根据手册数据和线路估算的杂散电容过大，所以计算结果为负值，测量工具探头自身的电容也比较大，无法测量给出准确结论，需要做晶振匹配。如图11是针对辅控板16MHz晶振所做的晶振匹配报告。

通过晶振匹配，建议在晶振和MCU的Xout之间串联一个800欧到2400欧的电阻。

实际电路串了一个0Ω电阻（图12）。

0欧电阻直接短接，幅值增加到最大，无法再通过电阻改变其幅值大小，将两个7pf的电容更换为5pf的幅值减小为0.66V，幅值太小无法达到芯片要求，致使芯片不能正常工作。7pf已是最小负载电容，不可再小。实验晶振匹配报告后，结果还是不理想，还是需要更换为有源晶振。还有一个因素也具备很大的影响，在频率和负载电容准确的前提下，幅度偏小主要是由探头参数引起的，探头不匹配引起了反射。

4.2 针对现象二

中主控板RTC电路中的32.768KHz无源晶振。经过晶振匹配，其报告如下（图13）。

建议将负载电容更换为两个值为8pf的并联电容。整改后的波形如图14。

波形占空比并无改善，反而更差，建议更换为有源晶振或使用STM32的内部晶振。大多数的石英晶体谐振器都有三个缺点：（1）不能驱动大部分负载。（2）占空比不可调。（3）工作循环漂移。晶体振荡器（有源晶振）虽然驱动电平不可变，但是可以通过改变逻辑门来改变占空比，占空比的变化通常为30%～65%。

5 总结

（1）测量方法：通过示波器测量晶振时，要注意测量方法的正确性，避免因探头参数引起的反射等问题。

（2）测试过程：在测试晶振上电起振时，应同时测量供电电压和复位信号，确保起振过程中的抖动不影响后端电路。

（3）晶振匹配：晶振匹配非常重要，通过调整负载电阻电容可以改善晶振的工作波形。

（4）外部因素：晶振内部原因可能导致问题，此时需要寻求外部帮助进行晶振匹配。

（5）最佳实践：选择合适的电阻电容组合，有时需要反复试验才能找到最佳方案。

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