【實作實驗室】振盪電路解密！石英晶體上電後多久會起振？

Posted By StrongPiLab on 9 月 7, 2021 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

振盪器 Oscillator 是電子電路很重要的一環，有了振盪器後，類比電路才開始邁向通訊領域，數位電路則開始有「時間序」的概念，也才有後來狀態機 state machine 的應用，所以振盪器的起振非常重要，沒振起來一切免談，有振起來，頻率也要準才行，現今最常用的是晶體振盪器 XTAL 。

今天有人問我上電後的石英晶體需要多久時間才會穩定振盪？這我倒沒真的測試過，既然有人問了我們就來測看看吧！

晶體振盪—線路

下圖是一般常見的考畢茲晶體振盪線路（Colpitts Oscillator），雖然說振盪線路百百種，但利用石英晶體 Crystal（XTAL）作為振盪元件的方式仍然是主流，因為石英晶體的 Q 值非常高，頻率可以很準。

所謂 Q 值是元件儲能與耗能的比例，有些人或許會有點陌生，但基本上它只是一個用來敘述儲能元件或系統的名詞。

Q=儲能/耗能

晶體振盪器線路圖（圖片來源：實作派提供）

以敲鐘來舉例，你敲它一下，鐘聲會餘音繚繞，這就是鍾罩外層的振盪所致，聲音繚繞越久，表示 Q 值越高，如果你在鍾罩內鋪上棉絮等布料，聲音會很快被布料吸走，甚至只剩下敲鐘當下的打擊聲，這樣的情況就表示 Q 值很低；如果有個鐘，它能讓人只敲一下就響到無窮無盡，那就表示它零耗能，也就是 Q 值無限大，當然這樣的東西並不存在。

石英晶體的高 Q 值，只要配上兩個電容就能形成一個共振腔，但共振腔內的振盪訊號終究會停止，若再配上一個放大器把輸出的訊號放大再加回到原來的輸入端，就形成了可永久振盪的振盪器。

以上只是簡略敘述振盪器怎麼回事，真的要寫起來會無窮盡，我今天只是要來看看多久會起振而已。

實體電路

身為實作派的助教，除了畫畫線路圖跑模擬之外，當然也要拿實際的線路真槍實彈地電路板跑看看才行。下圖是某個半殘的電路板，雖然功能上有點問題，但它還能開機、LED 也會閃爍，這表示系統有跑起來，晶體振盪器有正常工作。

下圖中的藍色線，就是我的測量點，XTAL 石英晶體的其中一根腳，我將它直接接到示波器的探棒；但我必須說，這樣的接法是不及格的，因為當我們直接把探棒接在 XTAL 的元件上，它的寄生電容會影響系統的振盪頻率，甚至有可能不起振。

正確的做法應該要使用主動探棒，但主動探棒很貴，除非需要經常用到，不然買起來還真心疼。如果你對晶片的 SDK 很熟，可以從晶片內部將時脈 clock 的訊號從 GPIO 繞出來，這樣間接地測量才不會影響到振盪頻率。

我自己會直接用探棒接觸，是不得已的，一來這塊板子的 Firmware 不是我寫的，二來這顆晶片並沒有 GPIO 可以讓你把時脈訊號繞出來；還好探棒直接接觸後，XTAL 仍然有起振，示波器還是能觀察到，但頻率絕對有偏差，只是頻偏目前不是我關心的重點。