晶振元件与MCU检修

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1、微控制器系统的各部分，是在 CPU 的统一指挥下协调工作的，芯片内部庞大的运算器、 计数器、存储单元等数字单元电路，是按一定的时钟节拍同步工作的。而上电时，要从程序 首端开始执行，需要一个复位控制动作（如执行计数器、寄存器请零等），因而电源、时钟、 复位三者是微控制器正常工作必需的三要素。1、电源1）MCU 器件，一般采用 5V 单电源供电，但对 MCU 内部电路而言，是分为数字电路电源， 和模拟电路电源两个系列供电的，如 M30800FCFP 芯片，即分为 Vcc、Vss 数字电路供电和AVcc、AVss模拟电路供电两部分。模拟电路的5V供电，由99、96脚（模拟电源输入引脚） 引入，用于A

2、D转换器等模拟信号处理电路的供电；Vcc、Vss数字电路的5V供电，分别由 16/62、 14/64 脚（数字电路电源输入引脚）引入，用于其它数字信号处理电路。 模拟信号处理电路的电压幅度较小，工作频率较低，抗干扰能力较弱；数字电路的的门限电 平和工作频率较高，抗干扰性能较强。将模拟电路的供电与数字电路的供电分开，可以减轻 两种信号之间所产生的串扰，所以，微控制器的电源引脚一般有模拟和数字两种，并且可能 多四个以上的引脚数量，这是微控制器供电的特点之一。2）MCU或DSP器件，出于微功耗考虑，采用两个级别的供电电压，这是微控制器供电的特点之二。如上述TMS320F2810PBKA芯片，采用1.

3、8V和3.3V两种供电电源，其中1.8V的VDD/VDD1、Vss/Vss1 的供电引脚多达 20 个;3.3V 的 VDDA1/VDDA2/VDDA10/VDD10/VDD3VFL、VssA10/VDCLO 等供电引脚达 8 个； 如果再算上接高电平和接地平的未用引脚，TMS320F2810PBKA芯片接供电电源的引脚数计33个（参见后文实际电路）。当然从ADD/ADDA和Ass/AssA标注的不同，也可进一步分出数字和模拟电路的供电引脚。+1 8V0 29 VM*0 42 VM1 56 VM*O 皆 YM一_0 74- VM0 駁 VD0勺一0YD0勺_q 102曲?* 0 110 VDU

4、0 114 WO117Vss26_Vss30D_iVssVss59730_i0_1Vss阳0iVss95iVss1031Vss109JVwl1151TKT”51O+3. 3V* 1 WMXI04 14 VDDA.14_ 18 PDRA_B 49 VDOIOTD 52 VDO3W.a 104 OJIO* 1佃 OIA2 15此拙1_o 11?-o丄嗣湖EFBG-_ 127 AMLO弓_P 126 VMIO團7-7 TMS320F2S10PEKA的供电电压和供电引脚團因而对微控制器供电电源和供电引脚电压状态的检测，成为一个重要检修内容。微控制 器对供电电源的稳定性有一定要求，检测供电电压值一般应在

5、额定值的5%以内，过高或 过低，会引起微控制器工作失常，另外，微控制器通常有供电电源电压监测功能，在供电异 常时会自动进入系统复位状态。2、时钟微控制器的有序工作，需要按一定固定的时间节拍进行，产生相应的定时信号和控制信 号，而且各部分和各控制信号之间要满足一定的时间顺序。通常由微控制器内部振荡器和外 接晶振元件产生一个振荡信号，又称为振荡时钟或时钟信号，内部各电路所需的时间基准不 一的频率信号，则由该时钟信号分频取得。（1）时钟发生电路有四种电路形式： 1）主时钟振荡电路a、由时钟信号输入、输出引脚（内为高增益放大器）XTAL1 （XI）、XTAL2 （X2）,与外接晶 振元件，构成振荡器，

6、向内部时钟电路提供时钟信号，一般MCU的时钟信号频率为424MHz 以内， DSP 的时钟频率要高一些。b、由外部振荡源（振荡电路）直接向XTLA1端输入时钟信号，微控制器本身不产生主时钟 信号。实际电路中，一般采用a电路形式。2 ）副时钟振荡电路副时钟振荡电路，部分微控制器电路有应用，振荡频率较低（如5kHz）。如M30800FCFP芯 片电路，即采用主、副时钟两种振荡电路。采用副时钟振荡电路，一般是出于：a、降低功耗的考虑。通常，系统运行频率起高，电源功耗也就越大。若在不需要高速运行 的情况下（如待机状态），停掉主时钟，只运行副时钟，可降低功耗，减小芯片发热延长使 用寿命；b、主、副时钟各

7、完成不同的工作任务，如副时钟用于为定时器、计数器的时间基准信号；c、 因某种原因，导致主时钟工作不正常（如受强干扰而停振），因副时钟仍正常工作的监控作 用，可以检测主时钟的工作状态，并重新启动主时钟电路运行。d、可以由程序切换主、副时钟的运行。3）微控制器内部振荡器一些微控制器具有内部副时钟电路，如1MHz的时钟信号发生器,一般在主时钟停止振荡时， 暂时起到取代主时钟的作用，系统复位后（主时钟已经工作后）停止振荡。（2）实际的时钟电路G74EEB7G19姻B2 ITAL1* &1 S_AL2卫札 2.4V撫空时技电是l=： 7-SMCI7北理电路二 AWM肛 圧啣殳时钟屯屋注彩K2S5K1M3

8、0BQOFGFT1U7/MCU 乂网辛巧旳盯 -_O J5 XIMR1391李K1?0 0F6C匸：X.戢时轻吃協*5 PB T.KCIN,T, 4 1 1 P8 5.-H30UTI SV IF：丈Himb. lQBifid廿樹电邑坡母1）典型晶振电路图7-8的（1）电路，为典型的时钟电路，外接晶振元件与EE87C196 （MCU）芯片内部 放大器，组成振荡时钟电路。MCU的82脚为时钟信号输入端，81脚时钟信号输出端。当 81 脚空置时，可由 82 脚输入外供时钟信号。 MCU 内、外部元件构成的振荡器等效电路原 理，如下图 7-9 所示。2AL812冲iX1C2图7-9微控制器的时甘振荡等

9、效电路叶挣僅号常出上图中，反相放大器A1、晶振X1与负载电容C1、C2构成三点式并联谐振电路，晶振 X1 在并联谐振状态下可等效为电感元件。 R1、 C1、 C2 构成正反馈回路，使电路形成振荡条 件；RF提供适度负反馈，将反相器设定在中间补偿区附近，使电路工作于高增益区域。对晶振X1来说，C1、C2组成负载电容，一般取值范围为1230P，两只电容取相等的 数值。 C1、 C2 的选值影响振荡频率的稳定和准确，依据晶振元件厂家提供的参数进行选择。 C1、 C2 对反馈信号有分压作用，当两电容的容量值相等时，分压系数为0.5。2）E30800FCFP（MCU）芯片的主、副时钟电路主时钟振荡频率为

10、20MHz,副时钟电路的振荡频率为50kHz,图7-8中的（2）电路中， 给出了 MCU晶振引脚的信号电压和测试波形图，供参考。（3）晶振电路的测量方法（以图7-9 电路为例）：时钟电路的振荡频率为晶振元件的标称频率值。测量MCU晶振引脚的电压值，也可判 断是否处于振荡或停振状态。1）用示波器测量振荡波形MCU 晶振引脚的振荡波形，为标准正弦波电压波形。但因示波器带宽的限制，一般测 量 10MHz 左右振荡频率的波形时，显示为正弦波，测量较高频率的振荡波形时，显示为三 角形尖波。采用宽带（如100MHz）示波器，测量的波形更接近正弦波。低带宽示波器探头有一定的等效电容值，测量MCU的时钟信号输

11、入端，探头电容会造 成对反馈信号电压的分压（衰减），引起电路停振。但测量时钟信号输出端，因信号幅度较 高和等效阻抗较低，不会对振荡产生太大影响，可以测到振荡波形。时钟信号输出端的信号 电压幅度（峰值电压以VP-P标示），一般应达到供电电压的70%以上，5V供电时，测输出 端电压幅度应为 4V 以上。2）用数字频率计，由时钟引脚测量信号频率。 3）对晶振电压的检测 用数字万用表的直流电挡，可以测量晶振引脚的信号电压值，测量晶振信号输入脚时也容量造成电路停振，使信号电压消失。处于正常振荡状态时，时钟输出脚电压值约为（稍低于）供电电压的一半，一般为 2.3V 左右；时钟信号输入端，因C1、C2电容分

12、压的缘故，信号电压值低于输出端，如1.2V左右。 注意：所测电压并非为固定值，因C1、C2电容的取值不同，和MCU内部电路的差异，时 钟信号输入、输出脚的电压值有的相差大，有的相差小，如图7-8的（2）电路，两引脚的 电压值就非常接近。时钟信号输入、输出脚的电压值，若为0V或+5V,或两脚电压都为0V或5V,说明电路 已处于停振状态。4）人为停振法（慎用） 判断电路是否振荡，还可以施加人为信号干扰，如测量输出脚电压时，用小金属起子碰 触时钟信号输入脚，输出脚电压值如有跳变（如电压升高变化），则说明电路振荡的；若无 变化，说明处于停振状态。若同时观察显示面板，若施加人为干扰信号时，显示内容有同步

13、变化，说明电路处于振 荡状态。注意！3）、 4）测量方法，易引入强干扰（或人体静电），使 MCU 外挂存储器的控制参 数变化！推荐1 ） 、 2）测量方法。（4）时钟电路的故障表现时钟是 MCU 系统的“心跳”发生器，停振时，系统无法满足正常工作条件，程序运行 处于停滞状态。操作显示面板显示“”、“88888”或无显示，操作面板按键无反应。如果进一步细致检查，会发现MCU的自检动作无法完成，如主板的系统（故障）状态指示灯 一直点亮，充电继电器无动作信号等。（5）晶振元件的电气参数、损坏现象和检测方法晶振元件的全称为石英晶体谐振振器，材料是一种压电晶体。石英晶片所以能做振荡电 路（谐振）是基于它

14、的压电效应，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形； 反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如 在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。 一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压 的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种 现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。 其特点是频率稳定度很高。在应用中晶振等效为一个电感，在晶振的两端并联上合适的电容它就会组成LC并联谐 振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可

15、以构成正弦波振荡电路，由于晶振等 效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有 很大的变化。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联 电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 典型应用电路，见上图7-9。 晶振元件的主 要电气参数a、晶振的频率值，与晶体盒尺寸和振动模式有关。尺寸越小，所获得的最低频率越高。440MHz 频率以内的应用最多。b、频差，规定工作范围与频率允许偏差。在一定温度范围内的频差一般为土 20x10 。c、负载电容量。一般由说明书给出参考值（如5PF）。d、适用温度范围。女如-40+80Co晶 振元件的损坏原因：a、受强烈震动损坏。石英晶体谐振振器由芯片、支架、外壳、电极组成。晶体片较脆 弱，易受振动而损坏。时钟电路处于停振状态。b、受潮后产生漏电阻，或振荡阻力增强。时钟电路处于停振或不易起振、易停振状态。 有时用烙铁加热引脚时起振，或在引脚施加干扰信号时起振，但