晶振不起振的三个经验分享

2015年做了两款产品,遇到三次晶振故障的异常,现总结如下:

1.超声波焊接时共振损坏晶振
某睡眠记录器使用了32MHz的外部晶振,纽扣电池供电,免充电待机一年,外壳是使用32K超声波焊接的,生产过程中出现了大量的不良,后来分析原因:是因为焊接时该晶振已经在工作,跟超声波的频率发生了共振;
2.晶振跟MCU距离太远
某助眠灯,8M晶振不起振,各种更换外部电容都不work,原因是该晶振距离MCU有差不多18mm远;
3.晶振外部电容不匹配
还是助眠灯,32.768K的晶振 ,起振时间长,平均6S以上才能正常起振,起振后通过示波器看到的波形很嘈杂,该晶振距离MCU10mm左右,将原来的22pF电容更换为6.8pF后,1S内起振,且波形平滑;如下图:
22pF时的波形
通过上图,可以看到,这时候的波形很嘈杂,而且振幅只有100mV左右;

6.8pF时的波形
此时的波形较平滑,而且振幅有300mV左右;

晶振部分的故障,通过示波器能直观的看到波形,可以作为我们解决该部分问题的主要手段;波形是否平滑,振幅是否足够(一般我认为晶振振幅要在200mV以上),这样才能判断晶振工作状态是OK的,不能盲目的说上电后MCU能工作就认为设计的没问题;
32.768晶振电容不匹配的问题,我们打样的时候是好好的,但量产的时候才大量的暴露出来;由于焊接或元器件一致性差异都会对晶振工作状态造成影响,甚至手工焊接和机器贴装的结果都不一样,应该多检测若干批次晶振部分的工作状态;

### 晶振电路中电容电阻的PCB布线方法与注意事项 #### 一、晶振与单片机引脚的位置关系 晶振应尽可能靠近单片机引脚放置,这样可以减少信号传输路径上的噪声引入。通过用地线包围时钟区域来实现电气隔离,这有助于降低外部电磁干扰的影响[^1]。 #### 二、晶振外壳处理 对于具有金属封装的晶振而言,其外壳应当接地并加以固定。这样做仅增强了物理稳定性,还进一步提高了屏蔽效果,从而保障了时钟信号的质量。 #### 三、旁路电容器的选择及其功能解释 位于晶振附近的电容器并非用于电源去耦或滤波目的;相反,它们参与构成LC谐网络的一部分,辅助启动和维持稳定的荡过程。这些元件参数需依据特定应用场景下的需求精心挑选,以确保达到预期的工作频率精度[^3]。 #### 四、走线策略考量 为了最大限度地减小串扰风险以及提高整体性能表现,在规划线路走向时应该遵循如下建议: - **缩短关键节点间的距离**:特别是连接至MCU输入端口处的导体长度要保持最短化; - **独立分隔敏感部分与其他高功率组件间的关系**:比如采用多层板结构中的单独层面专门服务于低频/高频分区,并利用连续完整的底层作为公共参考平面进行分割保护措施[^4]。 ```python # Python代码仅作示意用途,实际操作请参照硬件工程实践指南。 def pcb_layout_guidance(): # 定义各元器件位置坐标 crystal_position = (0, 0) mcu_pin_location = (-5, 0) # 计算最优连线方案 optimal_trace_length = calculate_shortest_path(crystal_position, mcu_pin_location) return f"Optimal trace length between crystal and MCU pin is {optimal_trace_length} mm." ```
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