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系统时钟SYSCLK、HSE、HSI的讲解之《晶振与震荡电路的介绍》

2017-07-23 23:19 267 查看
这里面有的东西不懂或是怀疑,欢迎指正,请积极自行查阅,说到底,本博客的最终目的是本人的一本网络笔记,次要目的才是分享给大家参考,错误在所难免,见谅。

 

首先我们了stm32可以使用三种不同的时钟源来驱动系统时钟 (SYSCLK):

● HSI 振荡器时钟

● HSE 振荡器时钟

●主 PLL (PLL) 时钟

         HSI振荡器与HSE的区别就在于一个是内部的时钟源,一个是外部的时钟源,Inside与External。

         HSI 时钟信号由内部16 MHz RC 振荡器生成,可直接用作系统时钟,或者用作PLL 输入。HSI RC 振荡器的优点是成本较低(无需使用外部组件)。此外,其启动速度也要比HSE 晶振块,但即使校准后,其精度也不及外部晶振或陶瓷谐振器。

         HSE时钟信号有两个时钟源:

● HSE 外部晶振/陶瓷谐振器

● HSE 外部用户时钟

 


         其实从图中大家应该很能
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意会了,我们不可能像钻牛角尖似的弄懂。但是我讲的话尽量讲细。(在此声明本人集成电路专业)我们也看到了最大的区别在哪,一个是外部过来的时钟源,一个是内部晶振产生的震荡,搭配电容构成的震荡电路结构。

         讲到这,不免发现有两个东西不清楚了:震荡器与晶振概念。我们就来探究一些吧,准备好百度。    

         振荡电路:振荡电流是一种大小和方向都随周期发生变化的电流,能产生振荡电流的电路就叫做振荡电路。其中最简单的振荡电路叫LC回路。(这个大家学过撒,如果你看到我的这篇博客的话就说明)

         时钟电路:时钟电路就是产生像时钟一样准确运动的振荡电路。任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。(这个貌似就是我们想要的)有人说了,这二者不是一个意思吗?那我们就用中文语法来看看是不是一样吧。时钟电路就是(产生像时钟一样准确运动)的振荡电路。还是有不同的,明显时钟电路要求更严格,更准时。就像上班,你每天7点半到和你135七点半到,246八点半到,虽然都到了,但是老板要你7点半到,而且只要你7点半到,(压根没人想早来吧…).所以说很明显看出区别了。还有一个范围大,已给范围小。

         振荡器简单地说就是一个频率源,一般用在锁相环(PLL中的VOC就是个压控振荡器)中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”,其涵义就暗指交流,振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。能够完成从直流电能到交流电能的转化,这样的装置就可以称为“振荡器”。

         振荡器分类:振荡器主要分为RC,LC振荡器和晶体振荡器。RC和LC不想多说。接下来我主要介绍下晶体振荡器。

晶体振荡器:晶振又分有源晶振与无源晶振。

晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片),石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振[1];而在封装内部添加IC(集成电路)组成振荡电路(这就是我为啥要先介绍下这个概念)的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。(如果还要继续了解它的原理可以继续看看他的原理),就是说为什么这个东西会是一个频率的源头,能自己产生震荡。一个是它的压电效应,将机械形变转换为电能;利用这一效应有一种压电谐振现象,加交变电压产生机械振动,同时由于机械振动又产生电场,而且是交变电场。这样理论上它就震荡起来了,成了一个频率源。当然成为一个真正意义上的频率源还有别的工作要做。

(若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度[1] 
。)

 

有源晶振与无源晶振:无源晶振为crystal(晶体)无源晶振是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来;有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。

2. 无源晶振和有源晶振的优缺点

无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体,尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。

相对于无源晶体,有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,

灵活性较差,而且价格高。对于时序要求敏感的应用,个人认为还是有源的晶振好,因为可以选用比较精密的晶振,甚至是高档的温度补偿晶振

         (当然了,这些也没必要了解的太细,但是总感觉学到点了什么,对吧)然后具体的介绍这三个时钟见下一篇博客咯。
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