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【實作實驗室】振盪電路解密!石英晶體上電後多久會起振?

   
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。

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Author: StrongPiLab

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