【知识科普】晶振究竟是如何起振的？

timbok

在我们生存的世界，万物运动不止。从宇宙太阳系，到一个人、一个元器件等，都以各种形式时刻运行着。但问题来了，万物运动的原动力是什么呢？

此外省略一万字...

emmm...要不先来个简单的，先搞懂搞懂晶振起振的原动力。

01  是谁?先敲动晶振的“心”？

晶振是电路中可以提供高度稳定时钟信号的元器件。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步，一起“干大事”。比如在我们常用的计算机系统中，晶振可比喻为各板卡的“心跳”发生器，如果主卡的“心跳”出现问题，必定会使其他各电路出现故障。

人体的心跳搏动，离不开血液。晶振也是一样，离不开电流。所以简单来说，晶振起振的原动力是——电，我们需要把一个晶振放在完整的电路中，并给电路供上电，产生回路电流，晶振自此开始稳定有节奏的“跳动”。

晶振在红绿灯系统提供时钟信号

当然，这个起振回路也是有讲究的(有源晶振内嵌起振回路，无源晶振需外接起振回路)，它需要遵循“巴克毫森稳定性准则”。

02  什么是巴克毫森稳定性准则？

巴克豪森稳定性准则，由德国物理学家巴克豪森(Heinrich Georg Barkhausen)于1921年提出的准则——电子振荡器系统信号由输入到输出再反馈到输入的相差为360°，且环路增益≥1，为振荡器起振的必要条件。

一个简单振荡器想产生周期性的振荡，通常是以电压形式的输出，在持续不断地输出的同时，需要加入放大器以产生持续的反馈给到输入，由于放大器本身的输出在高频时相移太大会使整个反馈变成正的，从而产生振荡。

负反馈系统

当环路增益≥1时，说明输入信号在环路中逛一圈后又送到输入端，信号幅度比原来更大。

相位为360°，说明输入信号在电路中逛一圈后，相位与原本的输入信号完全相同，因此输入信号被完美的加强了。

两者结合，信号经过反复放大后不断增大，当环路中的信号幅度增大到一定程度后，振荡器中的有源器件(晶振电路中的反相器)存在的非线性会限制幅度的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定。通俗说就是振荡的幅值肯定超不过电源电压。

03  如何判断晶振是否起振？

1、用示波器看波形

用示波器看波形是最直接的方法。因晶振波形的占空比为50%，所以测得的平均电压为1/2Vcc左右。

8MHz晶振的正常波形

晶振波形一般是正弦波或者方波，当输出波形是方波时，一般上升沿比较陡峭，且包含了较多的高频信号，这个时候就要保证测试的带宽足够，理论值是带宽是被测信号频率的2倍，实际测试方波时带宽应该是被测信号频率的10倍。

除了带宽之外，在测试晶振时，还有一点应该重点注意：晶振对电容负载较敏感，探头电容相对较大，相当于一个很重的负载并联在晶振电路中，容易导致电路停振而得不出正确的测量结果。所以在进行晶振测试的时候，需要保证足够的带宽和较小的输入电容。

2、用数字万用表的电压

档测电压无源晶振具备两个管脚：频率输入脚与频率输出脚。若晶振已经起振，说明这两个管脚之间必然存在电压差，这样才会有流经的电流对晶片产生激励功率。所以，我们可以用万用表的直流电压档，测量晶振两个引脚的电压。起振的时候，晶振两端的电压一般为芯片供电电压Vcc的一半。

但这里要注意，若芯片不良，则无法捕捉到晶振正在提供给它的正确的时钟信号。在这种情况之下，我们容易对晶振是否起振做出误判。

3、使用频率计测试

使用频率计测量晶振频率输出脚位时，若有正常的波形(常见为方波，温补晶振有削峰正弦波输出)或正常频率信号输出，则可视为该晶振已经正常起振。

最后，听声音判断晶振是否起振的方法，并不可靠。因为晶体的振荡频率远超人耳能够听见的频率上限，有时能够听到反而是有问题的，说明晶体质量不佳，更多的时候，正常工作的晶体是不会发出任何人耳能听到的声音的，有时声音来自外电路元件。

晶振是电路中必不可少的电子元器件，主要有无线数据传输和计时两种用途。但我国晶振行业起步较晚，目前国产晶振以中低端晶振产品为主，高端晶振主要依靠国外进口。随着国内5G、新能源产业的迅速发展，国内晶振需求量快速增长，国内厂商正奋力追赶，加快国产替代进程。