在單片機(jī)中晶振是普遍存在的。晶振為什么如此必要，原因在于單片機(jī)能否正常工作的必要條件之一就是時(shí)鐘電路。晶振好比單片機(jī)的心臟，如果沒(méi)有心臟起跳，單片機(jī)無(wú)法工作。當(dāng)然，電子電路設(shè)計(jì)并非速度越快越好，實(shí)際上是速度夠用就好晶振，速度越快越容易受干擾，也容易成為影響外界的干擾源。

晶振為何要接兩個(gè)電容？

晶振，全稱是石英晶體振蕩器，是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器。石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)。當(dāng)在晶振極板間施加交變電壓時(shí)，就會(huì)迫使晶振產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)晶振的機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)反過(guò)來(lái)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，晶振及電路產(chǎn)生穩(wěn)定的機(jī)械諧振和電氣諧振。其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高。

在電氣上晶振可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。

晶振物理模型

由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振呈現(xiàn)為感性，簡(jiǎn)單理解就是等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)有變化，這個(gè)振蕩器的頻率也能保持相對(duì)的穩(wěn)定，展現(xiàn)出高Q值。晶振在通過(guò)一定的外接電路生成頻率和峰值穩(wěn)定的正弦波晶振，該正弦波在單片機(jī)內(nèi)部調(diào)理電路整形下成為方波，作為單片機(jī)內(nèi)部時(shí)序電路工作的時(shí)鐘信號(hào)。

晶振電路常用設(shè)計(jì)方法

晶振電路有多種設(shè)計(jì)方法，在單片機(jī)設(shè)計(jì)電路經(jīng)常使用的是皮爾斯振蕩電路，具體電路如下圖所示。

皮爾斯振蕩電路

晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)看見(jiàn)MCU的管腳有OSC1和OSC2，一般會(huì)連兩個(gè)電容CL1和CL2，CL1和CL2是否就是負(fù)載電容呢？其實(shí)它們只是負(fù)載電容的一部分，而且大家要注意到，CL1和CL2從晶振來(lái)看它們是串聯(lián)的，只不過(guò)它們之間有一個(gè)公共點(diǎn)接地。真正的負(fù)載是CL1和CL2，MCU OSC1/OSC2這兩個(gè)管腳自身對(duì)地的寄生電容COSC1,COSC2,MCUOSC1/OSC2這兩個(gè)管腳之間的雜散電容CS，還有一個(gè)是晶振本身的C0，這幾部分共同組成了真正的負(fù)載，如下圖所示（只在此圖中畫出COSC1,COSC2,CS，其他圖中就不再詳細(xì)畫出這幾個(gè)電容了）。

晶振電路負(fù)載電容示意

并聯(lián)COSC1,COSC2一般在3~5pf，CS有1~5pf（和PCB制造相關(guān)），C0也有1~2pf，也就是說(shuō)，即使不連接CL1和CL2晶振電路的拓?fù)湟彩峭暾?，而且已?jīng)有了一定的電容負(fù)載，這也就是用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)即使沒(méi)有連接CL1和CL2，電路往往也是能起振的原因。如果晶振總體負(fù)載容值偏差大了會(huì)怎樣呢？會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是影響穩(wěn)定裕量，另一個(gè)是影響晶振的精度。

我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)時(shí)，要盡量使整個(gè)晶振電路靠近MCU，同時(shí)要盡量避免在晶振電路旁有其他高頻信號(hào)、大電流的信號(hào)，以及有較長(zhǎng)走線的信號(hào)，從而保證晶振工作時(shí)有較小的負(fù)載、正確的拓?fù)?，和相?duì)穩(wěn)定的電磁工作環(huán)境。在電路設(shè)計(jì)中有很多規(guī)則，而且這些規(guī)則往往是不可能同時(shí)滿足的，需要特別注意的是，晶振電路的設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)該被優(yōu)先保證。

振蕩器電路設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是要晶振能夠穩(wěn)定工作。STM32有相關(guān)文檔來(lái)講解晶振裕量是如何計(jì)算的，文檔里有很多公式，但在實(shí)際使用中可能無(wú)法通過(guò)公式準(zhǔn)確計(jì)算，因?yàn)樵S多參數(shù)例如雜散電容無(wú)法真正測(cè)量出來(lái)，生產(chǎn)的工藝、制造的水準(zhǔn)及器件本身的離散性都導(dǎo)致這些公式只具有理論指導(dǎo)性意義。