真是沒(méi)想到啊，把11.0592MHz的晶振焊成了12MHz，單片機(jī)串口通訊打印全亂碼了。明明頻率差不多，為什么會(huì)導(dǎo)致通訊徹底失??？貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室?guī)Т蠹覐拇趤y碼開始，重新認(rèn)識(shí)晶振——

01為什么晶振頻率有小數(shù)點(diǎn)的特殊數(shù)值？

在通信的時(shí)候，單片機(jī)需要設(shè)置串口波特率，也就是每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，比如9600波特率，就是每秒傳9600個(gè)二進(jìn)制位。串口通訊要想正常傳數(shù)據(jù)，發(fā)送端和接收端的波特率必須一致，就像兩個(gè)人聊天，一個(gè)人每秒說(shuō)10個(gè)字，而另一個(gè)人每秒只能聽8個(gè)字，必然聽不清，也就是對(duì)應(yīng)串口亂碼了。

波特率并不是憑空設(shè)定的，而是由晶振頻率計(jì)算出來(lái)的，以視頻中51單片機(jī)為例，其1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)晶振時(shí)鐘周期，波特率就是：

波特率=晶振頻率÷機(jī)器周期÷分頻系數(shù)

我們還是以常用的9,600波特率為例，算一筆賬，差距一眼就能看出：

如果使用的是11.0592MHz晶振：

晶振頻率：11,059,200Hz

機(jī)器周期：12 個(gè)時(shí)鐘周期，每秒能產(chǎn)生：11,059,200÷12 = 921600個(gè)機(jī)器周期

波特率計(jì)算：921,600÷96=9,600，剛好是目標(biāo)波特率

圖1

如果換成12MHz晶振：

晶振頻率：12,000,000Hz

機(jī)器周期：12個(gè)時(shí)鐘周期，每秒能產(chǎn)生 12,000,000÷12= 1,000,000個(gè)機(jī)器周期

波特率計(jì)算：1,000,000÷ 104≈9615（實(shí)際波特率），和目標(biāo)9,600存在明顯誤差。若按理想分頻，單片機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)非整數(shù)分頻（1,000,000÷96≈10416.67），只能取近似值，導(dǎo)致實(shí)際波特率和目標(biāo)值的誤差進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖2

所以，把11.0592MHz的晶振焊成了12MHz，就導(dǎo)致了串口通信出錯(cuò)。如果你在單片機(jī)開發(fā)中遇到過(guò)這種串口亂碼玄學(xué)問(wèn)題，不妨先檢查晶振有沒(méi)有焊對(duì)。

其實(shí)，上面串口通信的例子，很好的解釋了振頻率總有很多“帶小數(shù)點(diǎn)”的奇怪?jǐn)?shù)值，這個(gè)問(wèn)題是很多剛接觸電子開發(fā)的人都會(huì)疑惑的。

除了11.0592MHz，32.768kHz也是常用的非整數(shù)晶振頻率，它幾乎是所有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）電路的標(biāo)配。這是因?yàn)?2.768kHz恰好是2的15次方（2^15=32768），經(jīng)過(guò)15次二分頻后，就能精準(zhǔn)得到1Hz的時(shí)鐘信號(hào)（每秒1個(gè)脈沖），完美匹配“秒”的時(shí)間單位。如果選用其他頻率，想要得到1Hz信號(hào)，要么需要復(fù)雜的分頻電路，要么會(huì)產(chǎn)生計(jì)時(shí)誤差，32.768kHz因此成為RTC電路的“黃金頻率”。

圖3

為什么晶振頻率有小數(shù)點(diǎn)的特殊數(shù)值？答案很簡(jiǎn)單：這些看似特殊的頻率，都是經(jīng)過(guò)精密計(jì)算的工程極優(yōu)解，每一個(gè)數(shù)字背后都藏著實(shí)用的設(shè)計(jì)邏輯。

02晶振是如何精確到小數(shù)點(diǎn)四位的？

晶振能實(shí)現(xiàn)如此高的頻率精度，核心在于其內(nèi)部的石英晶片。

拆開晶振的金屬外殼，一片經(jīng)過(guò)精密切割的石英晶片便顯露出來(lái)了，還有連接在其表面的金屬電極。

圖4

石英晶體具有獨(dú)特的壓電效應(yīng)：給石英晶體施加交變電壓時(shí)，晶體會(huì)隨之產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動(dòng)（逆壓電效應(yīng)）；反之，機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（正壓電效應(yīng)）。正是這種電能與機(jī)械振動(dòng)的持續(xù)相互轉(zhuǎn)換，構(gòu)成了穩(wěn)定振蕩的基礎(chǔ)。

圖5

而晶振的精準(zhǔn)頻率，要?dú)w功于石英晶體本身的一個(gè)關(guān)鍵特性了，它具有一個(gè)由自身物理結(jié)構(gòu)，比如切割方向、幾何尺寸、厚度等所決定的固有機(jī)械諧振頻率。當(dāng)我們施加的外部交變電壓頻率恰好與這個(gè)固有頻率一致時(shí)，便會(huì)引發(fā)諧振。此時(shí)，晶體的機(jī)械振幅達(dá)到極大，輸出的電信號(hào)也極為強(qiáng)勁和穩(wěn)定。

圖6

由于這個(gè)頻率是由晶體本身的物理結(jié)構(gòu)決定的，幾乎完全不受外部電路和環(huán)境干擾，因此才能實(shí)現(xiàn)極高的精度。晶振有那么多“非整數(shù)”的標(biāo)稱頻率都是經(jīng)過(guò)精密計(jì)算和切割后，石英晶體所能穩(wěn)定產(chǎn)生的、精確的固有諧振頻率。

03有源vs無(wú)源：晶振該怎么選？

搞懂了晶振的頻率邏輯，接下來(lái)就是使用中的實(shí)際問(wèn)題了，比如晶振主要分為有源晶振和無(wú)源晶振，怎么選？

無(wú)源晶振：需要“外部助力”才能工作

平時(shí)在單片機(jī)超小系統(tǒng)中常用的2腳晶振，大多是無(wú)源晶振，必須依靠外部的起振電路才能產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩。

常見的起振電路是皮爾斯并聯(lián)振蕩電路，由兩個(gè)匹配電容（CL1、CL2）和單片機(jī)內(nèi)部的反相放大器組成。

圖7

晶振 datasheet 中會(huì)標(biāo)注負(fù)載電容（CL）和雜散電容（Cs）的數(shù)值，通過(guò)公式 CL = (CL1×CL2)/(CL1+CL2) + Cs，就能計(jì)算出合適的匹配電容參數(shù)——如果電容數(shù)值不合適，晶振可能無(wú)法起振，或者輸出頻率不穩(wěn)定。

圖8

無(wú)源晶振的優(yōu)勢(shì)很明顯：成本低、體積小、設(shè)計(jì)靈活，適合對(duì)成本敏感、功能相對(duì)簡(jiǎn)單的電路，比如51單片機(jī)超小系統(tǒng)、簡(jiǎn)單傳感器模塊等。但它的缺點(diǎn)也不容忽視：需要額外設(shè)計(jì)起振電路，對(duì)布線要求較高，抗干擾能力相對(duì)較弱。

有源晶振：即插即用的“時(shí)鐘模塊”

有源晶振則是一體化解決方案——把石英晶體、起振電路、信號(hào)放大電路和波形整形電路全部集成在金屬外殼內(nèi)，相當(dāng)于一個(gè)現(xiàn)成的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。

使用時(shí)，只需給有源晶振接通電源，就能直接輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，不需要額外設(shè)計(jì)起振電路，電路連接非常簡(jiǎn)單。而且有源晶振的輸出信號(hào)穩(wěn)定性更高、抗干擾能力更強(qiáng)，還能提供更寬的頻率范圍，部分型號(hào)甚至支持頻率可調(diào)。

不過(guò)有源晶振的價(jià)格比無(wú)源晶振高不少，體積也更大，功耗相對(duì)較高，更適合對(duì)時(shí)鐘精度和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)景，比如工業(yè)控制、通信設(shè)備、高端單片機(jī)系統(tǒng)等。

04晶振使用也有“坑”要避？

雖然晶振是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電子元件，但很多新手會(huì)因細(xì)節(jié)疏忽踩坑，導(dǎo)致電路工作異常，比如：

1）正如開頭的實(shí)驗(yàn)所示，不同頻率晶振對(duì)應(yīng)的機(jī)器周期、波特率等參數(shù)不同，隨意替換會(huì)導(dǎo)致功能異常，必須根據(jù)電路設(shè)計(jì)需求選擇指定頻率，不能隨意更換。

2）無(wú)源晶振的匹配電容不能隨便選，需按 datasheet 計(jì)算選型，否則會(huì)影響起振和頻率穩(wěn)定性。

3）晶振電路對(duì)布線要求較高，晶振應(yīng)盡量靠近單片機(jī)的晶振引腳，布線不宜過(guò)長(zhǎng)，避免引入干擾，導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)異常。

晶振，就像電子系統(tǒng)的“心臟”，每一次精準(zhǔn)振蕩，都為設(shè)備的正常運(yùn)行提供時(shí)間基準(zhǔn)。從串口亂碼到實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)，晶振的頻率選擇和選型都直接影響著項(xiàng)目成敗。希望通過(guò)這篇文章，你能真正搞懂晶振的核心邏輯，以后在開發(fā)中再也不會(huì)為“選什么晶振”“為什么通訊失敗”而頭疼。