一般单片机晶振旁边都会有两颗起振电容,又叫接地电容、匹配电容或外接电容。
晶振电路中为什么要使用起振电容呢?
因为在无源晶振振荡电路中,只有在外接电容为合适匹配电容的条件下,才能保证晶振实际振荡频率在晶振标称频率的误差范围内振荡。
从原理上讲,直接将晶振接到单片机上,单片机就可以工作。但这样搭建的振荡电路会产生偕波,也就是不希望存在的其它频率的波。尽管这个波对电路的影响不大,但会降低电路时钟振荡器的稳定性,因此建议在晶振的两引脚处接入两颗等值电容接地来消减偕波对电路稳定性的影响。
关于起振电容的取值,芯片不同,要求也不同,建议如下:
- 每种晶振都有自己的特性,请优先按照晶振生产厂商所提供的数值选择起振电容。
- 在许可范围内,电容C1和C2值越小越好。起振电容值偏大虽有利于振荡器的稳定,但将会增加起振时间,比较常见的是在15pF-33 pF 之间取值。具体的取值参数要依据电路板上电后,实测晶振输出频率为准,准则是尽量靠近标称频率,即晶振频率的中心点,如24MHz晶振的中心频率为24.000000MHz。
拓展阅读:负载电容与晶振输出频率的关系
晶体振荡器的输出频率直接影响数据传输同步、信号采样精度以及系统稳定性。然而,频率精度并非仅由晶体本身的品质决定,电路中的负载电容同样起着决定性作用。负载电容的偏差会引起工作频率的系统性偏移,从而在长时间运行中造成显著的计时误差或通信误码率提升。
以32.768kHz手表晶振为例,如果因负载电容不匹配导致±20ppm 的频率偏差,手表每天就会走快或走慢约 1.728秒,一年误差超过10分钟。负载电容晶振的工作原理可以想象为一个机械摆动系统,其振荡频率由“摆锤质量”和“悬挂长度”共同决定。在电路等效模型中,“摆锤质量”对应于负载电容。负载电容是晶振所感知到的总电容,包括:外接到晶振两端的匹配电容;PCB走线和焊盘的寄生电容;芯片输入管脚的内部电容。
在晶振的产品规格书中,通常会标注一个额定负载电容值(例如:12.5 pF),这一参数为理想的“等效质量”。当实际电路的总负载电容等于该额定值时,晶振才能在标称频率下稳定工作。
匹配电容晶振两端各接到地的外部电容,用于调整实际电路中的总负载电容,使其接近晶振厂家给定的CL。因为实际电路中除了CL1和 CL2,还存在 PCB 走线、焊盘、芯片管脚等带来的寄生电容”Cstray”,又称之为杂散电容,所以匹配电容的作用就是补偿并调节这些额外电容。
如何缩小实际与额定 CL 的差距?
要让实际负载电容接近晶振厂家给定的额定值,首先需要根据规格书中的负载电容和电路中测得的寄生电容,计算出合适的匹配电容大小。设计时应尽量缩短晶振与主控芯片之间的线路,减少寄生电容,同时选用温漂低的电容器件。
在调试阶段,通过频率测量判断实际频率偏差,频率偏低时减小匹配电容,偏高时增大匹配电容,并进行高低温测试和批量抽检,确保频率稳定,避免环境和生产差异带来误差。