MSP430系列的芯片晶振选型 压电晶体, 谐振器, 振荡器, 机械, 化学

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1、晶振的基本原理
　
　　石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。什么是晶振？晶振作用，晶振原理？晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给他通电，他就会产生机械振荡，反之，如果给他机械力，他又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。
　　根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电....的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q 值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。晶振模块一般需要电源电流为10mA ~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在4MHz时只需不到2mA的电流。在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素：精度、成本、功耗以及环境需求。
2、单片机晶振的两个电容的作用

这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器, 或者是奇数个反相器串联。在晶振输出引脚 XO 和晶振输入引脚 XI 之间用一个电阻连接, 对于 CMOS 芯片通常是数M到数十M欧之间. 很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻, 引脚外部就不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态, 反相器就如同一个有很大增益的放大器, 以便于起振. 石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间, 等效为一个并联谐振回路, 振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率. 晶体旁边的两个电容接地, 实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点. 以接地点即分压点为参考点, 振荡引脚的输入和输出是反相的, 但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡. 在芯片设计时, 这两个电容就已经形成了, 一般是两个的容量相等, 容量大小依工艺和版图而不同, 但终归是比较小, 不一定适合很宽的频率范围. 外接时大约是数PF到数十 PF,依频率和石英晶体的特性而定. 需要注意的是: 这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的, 会影响振荡频率. 当两个电容量相等时, 反馈系数是 0.5, 一般是可以满足振荡条件的, 但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量, 而增加输出端的值以提高反馈量。

3、MSP430系列芯片晶振选型说明

本报告把MSP430系列芯片分为两个部分，一个是高速晶振接口，另一个是低速晶振接口，在一般的情况下，高速晶振接口所能接的晶振，低速晶振接口也能接，但是低速晶振必须要通过适当软件的配置来使低速晶振接口能接高速晶振。每个接口都有相应的电气特性，在选择晶振时就必须要根据所有芯片晶振接口的电气特性来选择相应合适的晶振。MSP430系列芯片的低速晶振接口，电气特性分析，如下表所示：同时要注意MSP430系列芯片中的1系列的芯片的内部电容是固定的，为12pF。 软件设置模式 电源电压要求 所接晶振 晶振接口内部电容 匹配电容 低频模式0 1.8 V to 3.6 V 32768（Hz） 1（pF） 建议不外接电容 低频模式1 1.8 V to 3.6 V 32768（Hz） 5（pF） 建议不外接电容 低频模式2 1.8 V to 3.6 V 12000（Hz）1和4系列除外 8.5（pF） 建议不外接电容 低频模式3 1.8 V to 3.6 V 外部时钟如：有源晶振 11（pF） 建议不外接电容 表一 XT1晶振接口接低速晶振电气特性分析 　　XT1晶振接口，如果接高速晶振，关键是要考虑到它内部含有一定的匹配电容，因此在外加晶振时就必须要比XT2晶振接口电容要小一些，具体注意如下表所示： 软件设置模式 电源电压要求 晶振口电流 晶振接口外接电容 晶振频率 高频模式0 1.8 V to 3.6 V 最大1.5mA 15（pF） 0.4--1MHZ 高频模式1 1.8 V to 3.6 V 最大1.5mA 15（pF） 1--4MHZ 高频模式2 2.2 V to 3.6 V 最大1.5mA 15（pF） 2--12MHZ 高频模式3 3V to 3.6 V 最大1.5mA 15（pF） 4--16MHZ 表二 XT1晶振接口接高速晶振电气特性分析 　　XT2晶振接口是一个高速的晶振接口智能接高速的晶振，同时由于内部不带谐振电容，所以必须匹配好电容，根据MSP430系列芯片的数据手册，可得以下XT2晶振接口接高速晶振电气特性分析如下表所示： 软件设置模式 电源电压要求 晶振口电流 晶振接口外接电容 晶振频率 高频模式0 1.8 V to 3.6 V 最大1.5mA 15--30（pF） 0.4--1MHZ 高频模式1 1.8 V to 3.6 V 最大1.5mA 15--22（pF） 1--4MHZ 高频模式2 2.2 V to 3.6 V 最大1.5mA 15--22（pF） 2--12MHZ 高频模式3 3V to 3.6 V 最大1.5mA 15--22（pF） 2--16MHZ 表三 XT2晶振接口接高速晶振电气特性分析 　　MSP430系列芯片所有的晶振接口上的旁路电容大概都是2pF，旁路电容我们可以看成是晶振和单片机之间的负载电容，但是旁路电容随着晶振和单片机的距离以及单片机的种类，在电气焊接时的方法不同而不同，所以为了要更好的让晶振起振，选择合适的负载能力比较强的晶振。MSP430系列芯片因为是低功耗单片机，所以他的I/O流过的电流比较小，在这种情况下就必须要求晶振的谐振电阻必须要小，因为太大了I/O不能供应足够的电流让晶振正常的工作，所以必须选择合适的谐振电阻的晶振。 MSP430系列芯片对晶振输出的正弦波震荡幅度也有要求，最低必须保证要有0.2VCC的输出电压，所以必须选择合适的谐振输出电压值的晶振。影响晶振起振的原因有晶振（ESR）、晶振启动后负载电容的大小、单片机电源电压的范围、PCB布线和电气隔离、外部的环境因素和电路板的保护涂层处理，上面具体介绍的三个参数是选择晶振时必须考虑的最主要的参数。在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择至少必须考虑：谐振频点，负载电容，激励功率，温度特性，长期稳定性。 　　MSP430系列芯片XT1口接低速晶振时，不用接外部的谐振电容，在设计电路时主要是注意PCB布线（具体参考晶振不起振原因分析及相应解决办法）以及低速晶振频率范围为（10，000--50，000）HZ，再就是软件的配置问题，在软件正确配置的条件下，通过测试低速晶振都能正常的工作（1系列的单片机可能要注意购买低速晶振的ESR要小于50K?）。MSP430系列芯片在选择高速晶振时，必须考虑晶振的参数来匹配MSP430系列芯片，MSP430系列芯片对晶振参数要求如下表所示： 晶振参数 规格（MSP430系列芯片,5系列除外） 频率范围（MHz） 450KHz--1600KHz 负载电容（pF） 大于15pF 调整频差（ppm）精度 客户可以根据要求自行选择相应精度的晶振 工作温度（℃） 建议选择-20--70℃ 储存温度（℃） 建议选择-50--128℃ 谐振电阻（?）（ESR） 小于70?(大于8MHz的晶振这个值要小于40?) 静态电容（pF） 小于7pF 激励电平（mW） 小于1mW 晶振震荡的电压 大于0.2VCC 绝缘电阻 最小400M? 表四 高速晶振电气特性表 　　如果是用外部的PWM波作为时钟，MSP430系列芯片要求必须要保证PWM的占空比在40%--60%之间这样才能让单片机的时钟系统正常的工作。

4、器件选型封装注意事项

现在使用的晶振封装可以分为贴片晶振和直插晶振，贴片和直插电容。相对于直插器件，使用贴片晶振和电容不但占用电路板的空间可以更小，同时也可以降低寄生电感电容，提高晶振的震荡频率精度，具体的几个影响晶振震荡精度位置如下图所示，其中影响比较多的就是内部寄生电容（图6中CSTARY电容为寄生电容），寄生电容主要来源于前面介绍的PCB布线外，主要还有器件的选择，在正常的焊接下，标贴封装器件的寄生电容大约只有直插器件的1/2，在一般的情况下，寄生电容可以达能到3pF，不同的晶振对寄生电容的敏感程度不一样，产生的误差也就不一样。根据TI报告资料，由外部的寄生电容、单片机内部的串联电容等影响，单片机的最大的误差可以达到约+/-2.5ppm。