作者：實作派
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。
晶體振盪器電路板（圖片來源：實作派提供）
附帶一提，量個振盪訊號，不是只要拉一條藍色線接上 XTAL（雖然這樣接不及格）就好嗎？上圖中其它的線是怎麼回事？原來這顆晶片只是整塊電路板的一個子電路，我不想讓它受到 main chip 的指令干擾，所以我用外部的 3.3 V 直接供電給子電路，另外這顆晶片有 Reset# pin，要將它 pull high 才能讓晶片開始工作，否則 XTAL 不會起振。
頻偏的問題
剛剛提到，我這種直接接觸的測量方式會導致頻偏，那麼頻偏會造成什麼問題嗎？系統依舊可以開機，程式也可以跑，到底哪裡會有問題？
我舉個例子好了，類比電視 NTSC 的色彩訊號頻率 spec 是 3.579545 MHz，電視機的振盪頻率理論上要跟它一樣，但 spec 規範的容忍度規範是多少呢？只有+/-10 Hz，這大約是 2.8 ppm，也就是說你的色彩訊號可能因為你用示波器觸碰石英晶體的關係，造成多 2.8 ppm 的頻偏，而這就足以讓你的電視機從彩色變黑白，而且還附帶很多雜訊，因為顏色訊號已經變成畫面的一部份了。
不過還好，我多年前自己試驗的結果，電視機通常會自己追彩色訊號的頻率，除非你偏得太離譜，電視機才會秀黑白畫面給你看。如果 3.58 MHz的訊號都能讓機器誤動作了，那現在流行的 Wifi 頻率在 2.4 GHz/5 GHz，當然對頻率又更敏感了。
也許你會問頻偏可以從示波器觀察到嗎？我的答案是不行。如果你觀察過示波器的頻率測量，你會發現一般示波器的頻率測量位數只到小數點下 2 位，少數機型會到小數點下 4 位，但它會不斷跳動，我不認為你有機會能穩定觀察到這 10 Hz 的變化，除非你用的是高檔貨。
石英晶體起振
回到我原本的問題上，直接上電觀察何時起振，如下圖 10 ms 以內就起振穩定了，當然每個電路起振的時間不同，我這裡只是要表達，它不會讓你等超過 1 sec。
振盪器是由小到大漸漸起振的，它不會馬上有弦波，而是需要時間將能量累積，才能振出穩定的訊號。這很像設計不良的擴音系統，當它發生迴授時，那尖銳的噪音並非馬上出現，而是由小到大漸進出現，雖然它出現的時間只有短短幾秒鐘，仔細觀察還是能發現麥克風的噪音是由小漸進到大。
事實上，振盪器就是利用迴授系統將雜訊中的特定頻率不斷地放大，而晶體振盪的頻率是由石英晶體的構造決定的，就好像鐘聲的高低音，是由它的形狀決定的一樣，而雜訊在振盪器裡的角色，就如同敲鐘的槌子一般，而我們的電路最不缺雜訊，因為有溫度就有雜訊，甚至外來的雜訊也不少，我們就好好利用雜訊吧。
晶體振盪的起振波形（圖片來源：實作派提供）
我展開前段波形的其中一部分，來看看頻率是多少，由於振福太小沒辦法用自動量測，我只好以 cursor 大概的量一下，確實是 16 MHz。
晶體振盪波形放大（圖片來源：實作派提供）
在振盪器起振的這段時間，為避免 Chip 誤動作，最好能在這段時間讓 chip 處於 Reset 狀態，減少對系統的影響。系統上每個 chip 的 reset 時間長短也都需要與軟體的 timeout 搭配，如果設計得太剛好，可能會在有些 API 呼叫時 fail，而且還不是每次都 fail，這裡就是軟硬體工程師要合作的地方。
（本文經同意轉載自實作派電子實驗室、原文連結；責任編輯：賴佩萱）
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