MSP430系列的芯片晶振選型
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石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。什么是晶振？晶振作用，晶振原理？晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個(gè)很重要的特性，如果給他通電，他就會產(chǎn)生機(jī)械振蕩，反之，如果給他機(jī)械力，他又會產(chǎn)生電，這種特性叫機(jī)電效應(yīng)。他們有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關(guān)。由于石英晶體化學(xué)性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)非常小，其振蕩頻率也非常穩(wěn)定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準(zhǔn)確。
根據(jù)石英晶體的機(jī)電效應(yīng)，我們可以把它等效為一個(gè)電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機(jī)電效應(yīng)是機(jī)-電-機(jī)-電....的不斷轉(zhuǎn)換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉(zhuǎn)換。在電路中的應(yīng)用實(shí)際上是把它當(dāng)作一個(gè)高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即Q 值非常高，做振蕩器用時(shí)，可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩(wěn)定和陡削的帶通或帶阻曲線。晶振模塊一般需要電源電流為10mA ~60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻（固定）器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)只需不到2mA的電流。在特定的應(yīng)用場合優(yōu)化時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。
2、單片機(jī)晶振的兩個(gè)電容的作用
| 這兩個(gè)電容叫晶振的負(fù)載電容，分別接在晶振的兩個(gè)腳上和對地的電容，一般在幾十皮發(fā)。它會影響到晶振的諧振頻率和輸出幅度，一般訂購晶振時(shí)候供貨方會問你負(fù)載電容是多少。晶振的負(fù)載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg為分別接在晶振的兩個(gè)腳上和對地的電容,Cic（集成電路內(nèi)部電容）+△C（PCB上電容）經(jīng)驗(yàn)值為3至5pf。各種邏輯芯片的晶振引腳可以等效為電容三點(diǎn)式振蕩器。晶振引腳的內(nèi)部通常是一個(gè)反相器, 或者是奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)。在晶振輸出引腳 XO 和晶振輸入引腳 XI 之間用一個(gè)電阻連接, 對于 CMOS 芯片通常是數(shù)M到數(shù)十M歐之間. 很多芯片的引腳內(nèi)部已經(jīng)包含了這個(gè)電阻, 引腳外部就不用接了。這個(gè)電阻是為了使反相器在振蕩初始時(shí)處與線性狀態(tài), 反相器就如同一個(gè)有很大增益的放大器, 以便于起振. 石英晶體也連接在晶振引腳的輸入和輸出之間, 等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路, 振蕩頻率應(yīng)該是石英晶體的并聯(lián)諧振頻率. 晶體旁邊的兩個(gè)電容接地, 實(shí)際上就是電容三點(diǎn)式電路的分壓電容, 接地點(diǎn)就是分壓點(diǎn). 以接地點(diǎn)即分壓點(diǎn)為參考點(diǎn), 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的, 但從并聯(lián)諧振回路即石英晶體兩端來看, 形成一個(gè)正反饋以保證電路持續(xù)振蕩. 在芯片設(shè)計(jì)時(shí), 這兩個(gè)電容就已經(jīng)形成了, 一般是兩個(gè)的容量相等, 容量大小依工藝和版圖而不同, 但終歸是比較小, 不一定適合很寬的頻率范圍. 外接時(shí)大約是數(shù)PF到數(shù)十 PF,依頻率和石英晶體的特性而定. 需要注意的是: 這兩個(gè)電容串聯(lián)的值是并聯(lián)在諧振回路上的, 會影響振蕩頻率. 當(dāng)兩個(gè)電容量相等時(shí), 反饋系數(shù)是 0.5, 一般是可以滿足振蕩條件的, 但如果不易起振或振蕩不穩(wěn)定可以減小輸入端對地電容量, 而增加輸出端的值以提高反饋量。 |
3、MSP430系列芯片晶振選型說明
本報(bào)告把MSP430系列芯片分為兩個(gè)部分，一個(gè)是高速晶振接口，另一個(gè)是低速晶振接口，在一般的情況下，高速晶振接口所能接的晶振，低速晶振接口也能接，但是低速晶振必須要通過適當(dāng)軟件的配置來使低速晶振接口能接高速晶振。每個(gè)接口都有相應(yīng)的電氣特性，在選擇晶振時(shí)就必須要根據(jù)所有芯片晶振接口的電氣特性來選擇相應(yīng)合適的晶振。MSP430系列芯片的低速晶振接口，電氣特性分析，如下表所示：同時(shí)要注意MSP430系列芯片中的1系列的芯片的內(nèi)部電容是固定的，為12pF。
表一 XT1晶振接口接低速晶振電氣特性分析 XT1晶振接口，如果接高速晶振，關(guān)鍵是要考慮到它內(nèi)部含有一定的匹配電容，因此在外加晶振時(shí)就必須要比XT2晶振接口電容要小一些，具體注意如下表所示：
表二 XT1晶振接口接高速晶振電氣特性分析 XT2晶振接口是一個(gè)高速的晶振接口智能接高速的晶振，同時(shí)由于內(nèi)部不帶諧振電容，所以必須匹配好電容，根據(jù)MSP430系列芯片的數(shù)據(jù)手冊，可得以下XT2晶振接口接高速晶振電氣特性分析如下表所示：
表三 XT2晶振接口接高速晶振電氣特性分析 MSP430系列芯片所有的晶振接口上的旁路電容大概都是2pF，旁路電容我們可以看成是晶振和單片機(jī)之間的負(fù)載電容，但是旁路電容隨著晶振和單片機(jī)的距離以及單片機(jī)的種類，在電氣焊接時(shí)的方法不同而不同，所以為了要更好的讓晶振起振，選擇合適的負(fù)載能力比較強(qiáng)的晶振。MSP430系列芯片因?yàn)槭?strong>低功耗單片機(jī)，所以他的I/O流過的電流比較小，在這種情況下就必須要求晶振的諧振電阻必須要小，因?yàn)樘罅薎/O不能供應(yīng)足夠的電流讓晶振正常的工作，所以必須選擇合適的諧振電阻的晶振。 MSP430系列芯片對晶振輸出的正弦波震蕩幅度也有要求，最低必須保證要有0.2VCC的輸出電壓，所以必須選擇合適的諧振輸出電壓值的晶振。影響晶振起振的原因有晶振（ESR）、晶振啟動后負(fù)載電容的大小、單片機(jī)電源電壓的范圍、PCB布線和電氣隔離、外部的環(huán)境因素和電路板的保護(hù)涂層處理，上面具體介紹的三個(gè)參數(shù)是選擇晶振時(shí)必須考慮的最主要的參數(shù)。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(不容易起振)。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵功率，溫度特性，長期穩(wěn)定性。 MSP430系列芯片XT1口接低速晶振時(shí)，不用接外部的諧振電容，在設(shè)計(jì)電路時(shí)主要是注意PCB布線（具體參考晶振不起振原因分析及相應(yīng)解決辦法）以及低速晶振頻率范圍為（10，000--50，000）HZ，再就是軟件的配置問題，在軟件正確配置的條件下，通過測試低速晶振都能正常的工作（1系列的單片機(jī)可能要注意購買低速晶振的ESR要小于50K?）。MSP430系列芯片在選擇高速晶振時(shí)，必須考慮晶振的參數(shù)來匹配MSP430系列芯片，MSP430系列芯片對晶振參數(shù)要求如下表所示：
表四 高速晶振電氣特性表 如果是用外部的PWM波作為時(shí)鐘，MSP430系列芯片要求必須要保證PWM的占空比在40%--60%之間這樣才能讓單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)正常的工作。 |
4、器件選型封裝注意事項(xiàng)
| 現(xiàn)在使用的晶振封裝可以分為貼片晶振和直插晶振，貼片和直插電容。相對于直插器件，使用貼片晶振和電容不但占用電路板的空間可以更小，同時(shí)也可以降低寄生電感電容，提高晶振的震蕩頻率精度，具體的幾個(gè)影響晶振震蕩精度位置如下圖所示，其中影響比較多的就是內(nèi)部寄生電容（圖6中CSTARY電容為寄生電容），寄生電容主要來源于前面介紹的PCB布線外，主要還有器件的選擇，在正常的焊接下，標(biāo)貼封裝器件的寄生電容大約只有直插器件的1/2，在一般的情況下，寄生電容可以達(dá)能到3pF，不同的晶振對寄生電容的敏感程度不一樣，產(chǎn)生的誤差也就不一樣。根據(jù)TI報(bào)告資料，由外部的寄生電容、單片機(jī)內(nèi)部的串聯(lián)電容等影響，單片機(jī)的最大的誤差可以達(dá)到約+/-2.5ppm。 |
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