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谈谈BMS里面的晶振电路

2019-05-06 14:31
新能源BMS
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“在写完这篇后,回过头来看,我发现对振荡电路的理解还是不够深入,本着不懂的东西不敢乱写,所以本篇基本是总结一些概念和经验,关于晶体外部阻容的选型计算,等待后面深刻理解后,再写。”

今天为大家简单介绍一下振荡器与谐振器,其实工作中更多接触到的名字叫做晶振。暂时抛开叫法是否准确贴切,先沿用这一称呼。我们在设计电路时,尤其是单片机模块时,会很自然地接触到晶振,但实际大部分人(也包括我自己)都没有好好去琢磨一下晶振电路的各个元器件的选型来源,很多都是继承历史,把成熟电路抄过来直接用;实际这样也没有什么问题,但又总感觉心有点虚,自己画的板子讲不清器件的用途,总会有些不踏实,万一哪一天它坏了呢?

接着,还是要先纠正一下概念与定义。

最根源的分类其实是谐振器与振荡器。简单地说,谐振器是无源器件,振荡器是有源器件。至于有源和无源的差别,自己去百度,一大堆。

谐振器(英文resonator),它是可以产生谐振频率的电子元件或电路,在其外部需要配合控制驱动电路,产生时钟输出;

谐振器分类(图片来源于网络)

上图是主要的几种谐振电路或元件,可以看到熟悉的RC谐振电路与石英晶体;石英晶体谐振器(quartz crystalresonators),也就是我们日常称呼的“无源晶振”,其实更准确应该叫“晶体(crystal)”,它是两个引脚的无源器件,是电路中很常见的时钟源,相信大家都接触过。陶瓷谐振器(ceramic resonators)很少见,我没有使用过,大家如果有应用经验,可以留言,交流交流。

晶体(图片来源京瓷官网)

振荡器(英文oscillator),它是一种能量转换装置,将直流电转换为具有一定频率的交流电,其构成的电路叫做振荡电路,振荡器比谐振器多了一个控制电路。

振荡器里面最主要的就是指石英晶体振荡器(quartz crystal oscillators),就是我们说的“有源晶振”,或者“晶振”(终于等到你);其中接触最多的石英晶体振荡器,它常见的封装是四个引脚,输出方波信号,CMOS电平。

晶振(图片来源NDK官网)

BMS单板上使用的单片机,基本都需要外置一个时钟(晶体或晶振)给它,那么第一个问题来了,为什么不用单片机的内部时钟源呢?

原因是单片机内部的时钟源类型一般是RC振荡电路(RC谐振电路+控制电路),它输出频率的精度不高,如果用在通信上面,可能会造成时钟不精确,所以我们在BMS上面很多时候都选择外部的时钟源(晶体或晶振)。

上图是NXP某个单片机内部时钟框图,画红色圆圈标记的就是单片机内部集成的时钟源(IRC);XTAL和EXTAL是外部时钟源的连接引脚,内部时钟源与外部时钟源都可以使用;一般单片机上电后默认是内部时钟源,经过初始化后,配置成外部时钟源。大家闲时也可以看看自己用的单片机的内部时钟结构。

接下来简单介绍一下单片机的外部时钟源,也就是晶体与晶振的用法。

晶振用起来最简洁,它内部集成了晶体与控制电路,形成了一个完整的振荡电路。下图是单片机与晶振的连接示意图,基本不需要外部如何配置,供电可直接工作,XTAL引脚可不使用。

但如果选用晶体的话,就会复杂很多,如下图所示;它需要外部加一些配合的阻容,与单片机内部的控制电路共同组成振荡电路:R2是反馈电阻,作用是与单片机内部的反向器一起组成放大器;C1C2是外部负载电容,用于调节晶体的负载电容需求和滤波作用;R1是外部串联电阻,用于限制XTAL的驱动电流。目前只能写这么多了,等理解透彻后再写选型的理论支撑,大家好奇的话可以先去查查资料(比如ST网站的AN2867)。

总结

晶体与晶振在BMS单板里面很常见,那么到底选择晶体还是晶振呢?从使用难度和稳定性上来说,晶振更好一些,但成本上面晶体更有优势。所以前期可以直接上晶振,后期考虑降成本的话,可以使用晶体来实现,这样留一点降成本的空间,你懂的;哈哈,有点废话的样子,为了凑字数,管不了那么多了。

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