物联网系统硬件方案的“心脏”_晶振详解

物联网系统中为什么要使用晶振

物联网系统中使用晶振的原因主要可以归纳为以下几点：

提供稳定的时钟信号

基础功能：晶振在物联网系统中的首要作用是提供稳定的时钟信号。这是CPU执行指令所必需的，所有指令的执行都建立在这个时钟信号的基础上。

同步性：晶振能够确保各个设备之间的工作调度按时完成，保证整个系统的正常运行。通过提供精准的时钟信号，晶振有助于实现数据的同步传输，避免数据丢失或错位。

保障数据传输的精准性

数据采集：在物联网设备中，晶振提供准确的时钟基准，有助于实现定时数据采集，确保数据采样的准确性和可靠性。

时间同步：晶振提供的准确时钟信号可以用于实现事件触发和不同设备之间的时间同步。这对于物联网系统中多个设备的协同工作至关重要，确保各设备之间的工作协调一致。

支持低功耗设计

节能模式：某些类型的晶振（如32.768kHz晶振）在节能模式下可以长时间运行低功耗设备，有助于延长物联网设备的电池使用寿命。

提升系统稳定性

抗干扰能力：晶振在物联网系统中有助于确保各个部件的时序完整性，防止信号干扰和失真情况的发生。这对于保障物联网系统的正常运行和数据传输的精准性至关重要。

适应多样化需求

多样化应用：物联网系统涉及广泛的应用领域，如智能家居、智慧城市、工业控制等。不同应用对晶振的要求也不同，如频率稳定性、功耗、尺寸等。因此，物联网系统需要选择适合自身需求的晶振产品。

技术发展趋势

高频高精度：随着物联网技术的不断发展，对晶振的频率和精度要求也在不断提高。高频高精度的晶振产品能够更好地满足物联网系统的需求。

小型化低功耗：为了适应物联网设备的小型化和便携化趋势，晶振产品也在不断向小型化、低功耗方向发展。

综上所述，物联网系统中使用晶振是为了提供稳定的时钟信号、保障数据传输的精准性、支持低功耗设计、提升系统稳定性以及适应多样化需求。晶振作为物联网设备中的关键组件，对于保障物联网系统的正常运行和数据传输的精准性具有不可替代的作用。

本文会再为大家详解电子元器件家族中的一员——晶振。

1.晶振原理

晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。

2.晶振分类

晶振可分为有源晶振和无源晶振。

2.1无源晶振：

（1）无源晶振为晶体。一般为2引脚的无极性器件(部分无源晶振还有无极性的固定引脚)。

（2）无源晶振一般需借助与负载电容形成的时钟电路才能产生振荡信号。具体的推荐电容一般晶振的技术规格书中有介绍。(如：32.768K的晶振搭配12.5PF的电容）

（3）无源晶振产生的为正弦波信号。用示波器测一个引脚与地之间的波形。

（4）无源晶振需特殊的引脚搭配。如：XTAL1和XTAL2指的是8051系单片机上常见的用于接“晶振”的两个引脚。从原理上来说，这两个引脚和MCU内部一个反相器相连接。这个反相器与外部的“晶振”组成一个构成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。

（5）无源晶振最小为误差为5PPM。

无源晶振电路图

2.2有源晶振：

（1）有源晶振为振荡器，有4个引脚。

（2）有源晶振不需要CPU的内部振荡器，信号稳定，质量较好，而且连接方式比较简单。但价格相比无源晶振贵。

（3）有源晶振产生的信号为方波信号。（总有特例为正弦波信号）示波器测信号与GND之间。

（4）有源晶振供电便能产生一个时钟信号。

（5）有源晶振误差最小为0.1PPM。

有源晶振电路图

3.常用特殊的晶振

3.1 关于32.768K晶振

32.768K的晶振常用于计时。常搭配12.5PF的电容。

T=1/32768。每震荡32768次就是工作一秒。

32768是2的15次方。0x8000=32768。

将32768连接到一个16位的计数器，第16位每变化一次，正好就是1秒。

32768接的是计数器（计数器主要对脉冲的个数进行计数），所以没有时钟周期、机器周期、指令周期。

一些钟表等常用32.768K的晶振原因：

32768为2的15次方，便于计算。

32768已经属于低频产品，低于32768晶振体积会变大，搭配的负载电容也会变大。

对于数字电路，工作频率越高，就有更高的电路消耗，不利于续航。

3.2 关于11.0592M晶振

11.0592M的晶振常用于做串口通信，容易设置波特率。

震荡周期、机器周期、指令周期。

时钟周期、振荡周期、节拍周期

时钟周期又叫做振荡周期、节拍周期，定义为时钟晶振频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。例如晶振为12M，则时钟周期为1/12us。又可以被定义为节拍。

机器周期

在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。比如，取值周期，取数周期。在80C51内部，机器周期一般包括于12个时钟周期。例如24M的晶振，机器周期为12/24M秒。

指令周期

指令周期是指取出并完成一条指令所需的时间，一般由若干个机器周期组成，分为单周期指令，双周期指令和多周期指令。

对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。

3.2 关于12M晶振

12M的晶振易计算，12M晶振一个机器周期为1US。

4.晶振分频与倍频

4.1分频：

当原来的信号经过n的周期，新的信号跳变一次，这样新信号周期就是原信号的N倍,新信号频率基于老频率则叫N分频。如震荡周期与时钟周期。

4.2倍频：

与分频相反，频率是增大，当新频率是之前频率的N倍，则称为N倍频。倍频是利用锁相环（PLL）的原理进行频率的增倍。如STM32单片机外接8M晶振，但是主频却能跑72M。

PPL电路原理：

一个晶振只有一个固有频率，通过分频，倍频技术就可以扩展出很多频率，使用灵活，不必每个频率都要配一个对应的晶振。

5.晶振误差

晶振误差单位为PPM。

32.768KHZ，误差为+10ppm 。则一天的误差为：

10（PPM）*24(小时)*3600（一小时300秒）/100万（PPM为百万分之一）=0.864秒

一个32.768KHZ，误差为+10ppm 的晶振，一天的时间误差约为0.864秒。

供应商A：KDS

1、产品能力

（1）选型手册

KDS晶振型号详细分类_文档之家

（2）主推型号1：1ZZNAE26000AB0L

对应的产品详情介绍

大真空晶振型号1ZZNAE26000AB0L DSX211SH无源晶振,是目前市场常用封装中体积最小的一款,具有超薄,超小,轻量化等优势特点,被广泛用于无线通信设备,智能家居,蓝牙,数码电子.

电气特性

研发设计注意使用事项

焊盘2脚有缺角，与通常的定位脚在1脚的产品情况不同

PCB 中晶体振荡电路设计

这里希望通过 PCB 布局来最小化振荡器和外部信号之间的耦合，因为高频耦合会激发晶体振荡器的高次谐波，晶振是干扰外部电路的噪声源。

具体有以下几点需要注意：

A. 晶体振荡器靠近微控制器

短走线具有低互感和电容，长走线具有高互感和电容。使晶体靠近微控制器可以缩短走线，从而减少耦合。所以走线的长度尽可能短，但不能与其他信号线交叉。

B、振荡器电路与高频电路隔离开

路由非振荡器信号时，高频电路要远离振荡器电路。也可以考虑使用带有通孔的铜迹线，围绕着振荡器电路，这将减少外部信号线和振荡器之间的互感。

振荡器电路与高频电路隔离开

通常的做法是将振荡器电路下方的接地层分开，仅在一点点连接分离的接地层，就在微控制器接地旁边。这可以防止来自其他信号源的返回电流通过振荡器使用的接地层。上图的示例就是按照这种方法，只是没有很明显。

C、晶振靠近 CPU 芯片摆放，但要尽量远离板边。

因为内部石英晶体的存在，由于外部冲击或跌落容易损坏石英晶体，从而造成晶体不振荡，在设计可靠的安装电路时要考虑晶体，靠近 CPU 芯片的位置优先放置远离板块的一面。

晶振放置图

（圆柱晶振）外壳接地后，加一个与晶振形状相似的长方形焊盘，让晶振“平放”在这个焊盘上，并在焊盘的两个长边附近开一个孔（孔要落在焊盘上，最好用多层焊盘代替孔，两个多层焊盘要接矩形焊盘），然后用铜线或其他裸线将晶振“箍”起来，铜线的两端焊接在你开的两个孔或焊盘上。这样可以避免高温焊接对晶振的损坏，保证良好的接地。

D、手工或机器焊接时，要注意焊接温度

晶振对温度敏感，焊接时温度不宜过高，加热时间尽量短。

焊接图片

E、耦合电容应尽量靠近晶振的电源管脚放置

放置顺序：根据功率流向，按电容值从小到大排列，电容最小的电容值最接近电源引脚。

F、晶振外壳接地

晶振外壳接地（如果接地影响负载电容的话，就不能接地），既可以从晶振向外辐射，也可以屏蔽外界信号对晶振的干扰。

G、不要在晶振下方布线，确保完全铺设好地线

在晶振 300mil 范围内不要布线，以免晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

H、时钟信号的走线尽量短，线宽要大一些

时钟信号的走线尽量短，线宽要大一些。在布线长度与热源的距离之间找到平衡点。

核心料（哪些项目在用）

奇迹物联中央库 AM21EV5模组，鸽子定位器项目，XY1100 26M晶振

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

DKS 1ZZNAE26000AB0L

C253768_26MHZ7.3PF-40_+85℃_2018-09-21.PDF

供应商B: 嘉硕

1、产品能力

（1）选型手册

TST_DM.pdf

（2）主推型号1: TX0395B

对应的产品详情介绍

硬件参考设计

研发设计注意使用事项

PCB 中晶体振荡电路设计

这里希望通过 PCB 布局来最小化振荡器和外部信号之间的耦合，因为高频耦合会激发晶体振荡器的高次谐波，晶振是干扰外部电路的噪声源。

具体有以下几点需要注意：

A. 晶体振荡器靠近微控制器

短走线具有低互感和电容，长走线具有高互感和电容。使晶体靠近微控制器可以缩短走线，从而减少耦合。所以走线的长度尽可能短，但不能与其他信号线交叉。

B、振荡器电路与高频电路隔离开

路由非振荡器信号时，高频电路要远离振荡器电路。也可以考虑使用带有通孔的铜迹线，围绕着振荡器电路，这将减少外部信号线和振荡器之间的互感。

振荡器电路与高频电路隔离开

通常的做法是将振荡器电路下方的接地层分开，仅在一点点连接分离的接地层，就在微控制器接地旁边。这可以防止来自其他信号源的返回电流通过振荡器使用的接地层。上图的示例就是按照这种方法，只是没有很明显。

C、晶振靠近 CPU 芯片摆放，但要尽量远离板边。

因为内部石英晶体的存在，由于外部冲击或跌落容易损坏石英晶体，从而造成晶体不振荡，在设计可靠的安装电路时要考虑晶体，靠近 CPU 芯片的位置优先放置远离板块的一面。

晶振放置图

（圆柱晶振）外壳接地后，加一个与晶振形状相似的长方形焊盘，让晶振“平放”在这个焊盘上，并在焊盘的两个长边附近开一个孔（孔要落在焊盘上，最好用多层焊盘代替孔，两个多层焊盘要接矩形焊盘），然后用铜线或其他裸线将晶振“箍”起来，铜线的两端焊接在你开的两个孔或焊盘上。这样可以避免高温焊接对晶振的损坏，保证良好的接地。

D、手工或机器焊接时，要注意焊接温度

晶振对温度敏感，焊接时温度不宜过高，加热时间尽量短。

焊接图片

E、耦合电容应尽量靠近晶振的电源管脚放置

放置顺序：根据功率流向，按电容值从小到大排列，电容最小的电容值最接近电源引脚。

F、晶振外壳接地

晶振外壳接地（如果接地影响负载电容的话，就不能接地），既可以从晶振向外辐射，也可以屏蔽外界信号对晶振的干扰。

核心料（哪些项目在用）

奇迹物联中央库 AM21EV5模组，鸽子定位器项目，AT6558R 26M晶振

2、支撑

（1）技术产品

技术资料

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