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絡方可產生振蕩。什么是晶振？晶振作用，晶振原理？晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給他通電，他就會產生機械振蕩，反之，如果給他機械力，他又會產生電，這種特性叫機電效應。他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關。由于石英晶體化學性能非常穩(wěn)定，熱膨脹系數非常小，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，其諧振頻率也很準確。
根據石英晶體的機電效應，我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機電效應是機-電-機-電....的不斷轉換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉換。在電路中的應用實際上是把它當作一個高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，可以產生非常穩(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）器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。在特定的應用場合優(yōu)化時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、單片機晶振的兩個電容的作用
| 這兩個電容叫晶振的負載電容，分別接在晶振的兩個腳上和對地的電容，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，一般訂購晶振時候供貨方會問你負載電容是多少。晶振的負載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd,Cg為分別接在晶振的兩個腳上和對地的電容,Cic（集成電路內部電容）+△C（PCB上電容）經驗值為3至5pf。各種邏輯芯片的晶振引腳可以等效為電容三點式振蕩器。晶振引腳的內部通常是一個反相器, 或者是奇數個反相器串聯。在晶振輸出引腳 XO 和晶振輸入引腳 XI 之間用一個電阻連接, 對于 CMOS 芯片通常是數M到數十M歐之間. 很多芯片的引腳內部已經包含了這個電阻, 引腳外部就不用接了。這個電阻是為了使反相器在振蕩初始時處與線性狀態(tài), 反相器就如同一個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, 等效為一個并聯諧振回路, 振蕩頻率應該是石英晶體的并聯諧振頻率. 晶體旁邊的兩個電容接地, 實際上就是電容三點式電路的分壓電容, 接地點就是分壓點. 以接地點即分壓點為參考點, 振蕩引腳的輸入和輸出是反相的, 但從并聯諧振回路即石英晶體兩端來看, 形成一個正反饋以保證電路持續(xù)振蕩. 在芯片設計時, 這兩個電容就已經形成了, 一般是兩個的容量相等, 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. 外接時大約是數PF到數十 PF,依頻率和石英晶體的特性而定. 需要注意的是: 這兩個電容串聯的值是并聯在諧振回路上的, 會影響振蕩頻率. 當兩個電容量相等時, 反饋系數是 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
本報告把MSP430系列芯片分為兩個部分，一個是高速晶振接口，另一個是低速晶振接口，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軟件的配置來使低速晶振接口能接高速晶振。每個接口都有相應的電氣特性，在選擇晶振時就必須要根據所有芯片晶振接口的電氣特性來選擇相應合適的晶振。MSP430系列芯片的低速晶振接口，電氣特性分析，如下表所示：同時要注意MSP430系列芯片中的1系列的芯片的內部電容是固定的，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，關鍵是要考慮到它內部含有一定的匹配電容，因此在外加晶振時就必須要比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晶振接口是一個高速的晶振接口智能接高速的晶振，同時由于內部不帶諧振電容，所以必須匹配好電容，根據MSP430系列芯片的數據手冊，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之間的負載電容，但是旁路電容隨著晶振和單片機的距離以及單片機的種類，在電氣焊接時的方法不同而不同，所以為了要更好的讓晶振起振，選擇合適的負載能力比較強的晶振。MSP430系列芯片因為是低功耗單片機，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，因為太大了I/O不能供應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）、晶振啟動后負載電容的大小、單片機電源電壓的范圍、PCB布線和電氣隔離、外部的環(huán)境因素和電路板的保護涂層處理，上面具體介紹的三個參數是選擇晶振時必須考慮的最主要的參數。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，負載電容，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，不用接外部的諧振電容，在設計電路時主要是注意PCB布線（具體參考晶振不起振原因分析及相應解決辦法）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，必須考慮晶振的參數來匹配MSP430系列芯片，MSP430系列芯片對晶振參數要求如下表所示：
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的時鐘系統正常的工作。 |
4、器件選型封裝注意事項
| 現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，寄生電容可以達能到3pF，不同的晶振對寄生電容的敏感程度不一樣，產生的誤差也就不一樣。根據TI報告資料，由外部的寄生電容、單片機內部的串聯電容等影響，單片機的最大的誤差可以達到約+/-2.5ppm。 |
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