01

壓電效應

壓電效應： 某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。

正壓電效應： 當外力去掉后，電介質又會恢復到不帶電的狀態。

逆壓電效應： 當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失。

當在晶體表面上施加機械壓力時，與機械壓力成比例的電壓出現在晶體上。該電壓會導致晶體失真，失真的量將與施加的電壓成比例，并且還與施加在晶體上的交流電壓成正比，從而導致晶體以其固有頻率振動。這種壓電效應會產生機械振動或振蕩，可用來代替以前的振蕩器中的標準LC振蕩電路。

下圖展示了：石英晶體的等效電路是一個串聯的RLC電路。

▲ 石英晶體等效模型

該電路代表晶體的機械振動，與電容Cp并聯，電容Cp代表與晶體的電連接。石英晶體振蕩器傾向于朝著其“串聯諧振”方向運行。晶體的等效阻抗具有串聯諧振，其中Cs在晶體工作頻率下與電感Ls諧振。該頻率稱為晶體串聯頻率?s。如上圖所示，除了Ls和Cs與并聯電容器Cp諧振外，還有一個第二頻率點是由于并聯諧振而建立的第二頻率點。

02

晶體振蕩器的應用

晶體振蕩器不僅僅是給MCU提供時鐘，它在各個領域有各種應用，下面簡單介紹一些晶體振蕩器的應用：

科爾皮茲晶體振蕩器

Colpitts振蕩器用于產生非常高頻率的正弦輸出信號。該振蕩器可以用作不同類型的傳感器，例如溫度傳感器。使用Colpitts電路中的某些設備，我們可以實現更高的溫度穩定性和高頻。

▲ 科爾皮茲晶體振蕩器

阿姆斯壯晶體振蕩器

該電路一直流行到1940年代。這些在再生無線電接收機中被廣泛使用。在該輸入中，來自天線的射頻信號通過一個額外的繞組磁性耦合到振蕩電路中，并且減少了反饋，以在反饋環路中進行增益控制。最后，它產生了一個窄帶射頻濾波器和放大器。在該晶體振蕩器中，LC諧振電路被反饋環路取代。

▲ 阿姆斯壯晶體振蕩器

皮爾斯晶體振蕩器

在這個簡單的電路中，晶體確定振蕩頻率，并以其串聯諧振頻率工作，?s在輸出和輸入之間提供低阻抗路徑。諧振時有一個180 度的相移，使反饋為正。輸出正弦波的幅度限制為漏極端子的最大電壓范圍。

▲ 皮爾斯晶體振蕩器

03

無源晶振和有源晶振的區別

無源晶振和有源晶振的區別體現：

有源晶振： 不依靠外部電路,通過自身產生震蕩。

無源晶振： 就是一個晶體振蕩器，無法通過自身產生震蕩。

有源晶振的缺陷： 與無源晶振相比，有源晶振信號電平幾乎是不變的，價格方面也會更高。

上面描述的還是不清晰，那么我們先看下有源晶振的結構圖：

▲ 有源晶振結構圖

上圖中XT就是晶體振蕩器，其他的器件就是上文說的外部電路，這樣只要給有源晶振供電，就可以產生時鐘波形。

而無源晶振，就是只有XT這個晶體振蕩器。以STM32為例，STM32集成了上圖除XT外的電路，所以我們可以接無源晶振。主要因為晶振不好集成，外掛晶振比較方便。

04

STM32外接晶振

以STM32F207為例，一般情況下外部高速時鐘(HSE)我們接25M的無源晶振。在用戶手冊中ST提供了兩種方式：

▲ HSE時鐘源

外部高速時鐘(HSE)可以通過兩個時鐘源產生：

1、外部晶體/陶瓷諧振器

2、外部用戶時鐘

在外部時鐘模式中，直接向OSC_IN引腳輸入25MHZ的時鐘信號，OSC_OUT處于高阻態。也就是說，我們可以外接有源晶振，但是上文說到，一般有源晶振價格都會高一點，很少有外接有源晶振的案例。

上面我們說到，STM32內部集成了晶體振蕩器的外部電路，如果外接無源晶振，STM32理論上可以通過禁止部分電路，達到關閉外部高速時鐘(HSE)的目的。

事實上，在STM32F207的RCC時鐘控制寄存器(RCCclock control register)的16位HSEON，用來打開或關閉HSE振蕩器。

由軟件置1和清零。

由硬件清零，用于在進入停機或待機模式時停止HSE 振蕩器。如果HSE 振蕩器直接或間接用于作為系統時鐘，則此位不可復位。

如上圖，在system_stm32f2xx.c文件中，345行就是開啟HSE的，我們添加343行的死循環，再去測量晶振，發現沒有波形。

還有另一種方法，我們使用Jlink的J-FlashARM工具，擦除全片數據，再次上電，發現沒有波形。

這也就解答了一些萌新同學的問題，硬件沒有問題，測量晶振發現沒有起振，以為是硬件的問題。其實下載一個正常運行（使能了RCCclock control register的HSEON位）的demo，再去測量晶振波形就行了。