晶振元件与MCU检修

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，女口M30800FCFP芯片，即分为 Vcc、Vss数字电路供电和AVcg 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AD转换器等模拟信号处

2、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 1.8V和3.3V两种供电电源，其

3、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、VssAIO/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，也可进步分出数字和模拟电路的供电引脚。Vss17Vss260iVss30O_iVgsi5?&_J73OiVaa8BDiVfl39SO_iVts1030-Vbi109口一価rdTESTI51O_-2? V00+口 42 VTO

4、«% VDO'o 63 VW_G 74 W一62 VDOi Q 94 VDD一0 102 VWh_« 110 VDDD 114 W®二三二三二=U VDCA1ie49 VDOIOS2 VX3VFL104 OIOlie OA215 VsaAl117 VS5A21； AVSSREFK127 ADOjO7-7 T*MS320F2810PBKA的供电电压和供电引KPI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额定值的±5%以内，过高或过低， 会引起微控制器工作失

5、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 （X1 ）、XTAL2（X2）,与外接晶振元件，构成振荡器， 向内部时钟电路提供时钟信号，一般 MC

6、U 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、副时钟各完成不同的工作任务，如副时钟用于为

7、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、畐U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ClC2Bl 1TAL262 TTXLIbbJZU1V6NM工3VM WMUZ/WCUW" ?i3 Jtoir-D 13 XIN2SVmOflOOFGFPVP-P LAII ic M 7/

8、Klii|-®-v41L pa */acwrS5XIF：5»Heb. 1C砂f副&5井电互监形z/wvwt. ；：-, liW-* nt钟电压曲區7-8 MCU刊许电路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。C2图7-9微控制器的时钟振荡等效电路上图中，反相放大器 A1、晶振X1与负载电容C1、C2构成三点式并联

9、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 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

10、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

11、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C

12、1、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

13、（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

14、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以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为

15、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20 x 10?oc、负载电容量。一般由说明书给出参考值 （如5PF）o d、适用温度范围。如-40+80° 晶 振元件的损坏原因：a、受强烈震动损坏

16、。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，但出现随机性停振现象。c、因老化原因，造成频率飘移，或不容易起振，和易于停振；频率偏移较大时，变频器易报“ Err”错误故障。晶振兀件的检测方法:a、用指针式万用表的x 10k挡，测两引脚之间的电阻值，应为无穷大。如测出一定的 电阻值，说明已产生漏电损坏。b、用电容表测两引脚之间的电容值，一般为几皮法至几十皮法之间。元件的标称频率值高，所测电容值就小。若测量电

17、容量为数百皮法以上或电容值为0,元件损坏。c、摇动法。手拿晶振，放耳边摇动，细听有无细微的“哗啦”声，若有，说明内部晶片受振动碎裂。d、用简易振荡电路测试晶振的好坏。o +10V-30V20k-scat9018Cl 50-20PC2 10SOPDI , D2 1N4008D1图7-10晶振测试的简易电路所测晶振与电路构成振荡器，晶振元件是好的，测电路起振，LED点亮。如配合频率计或示波器，则可以进一步测试振荡频率与波形。晶振元件的代换：晶振在电路中的符号是以“ X”、“G”、“Z”等字母标注的，元件本体上一般直接用印字 标注出频率值，如标注为20.0F6C或20M，说明频率标称值为 20MHz

18、。封装形式有直插和贴 片封装两路，MCU主板电路中以后者应用为多。代换时做到封装形式、标称频率值二者的 严格一致。3、复位电路MCU在上电或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于死循环“卡死”状态 时，都需要进行复位操作，才能使 MCU的中央处理器 CPU及其它功能部件，都恢复到一个 确定的初始状态，并从程序的初始执行点重新开始工作。强制复位时，是使MCU现在的工作全部停止后，又从零起步，开始新的工作阶段。（1）MCU 的复位控制方式有硬件复位 1、低电压检测复位 （硬件复位 2）、软件复位、看门狗定时器复位和振荡停 止检测复位等数种复位控制方式。1）硬件复位 1是通过RST或/RST引

19、脚产生的复位动作。在接通电源时，电源电压有一个由0V上升至满足工作条件电压值的过程，在电源稳定后，由复位电路向RST或 /RST引脚输入一个“暂态”的复位电平信号，主时钟电路开始工作，初始化引脚（使相关I/O 口为无输出状态） ；复位信号消失后，CPU和SFR开始初始化，并由复位向量指定的地址开始执行程序。电源稳 定状态（待机或运行中），RST或 /RST引脚输入复位信号时，可即时对系统产生强制复位动 作。硬件复位电路见下图 7-10中的（a）、（b）电路，只在接通电源时产生复位信号。2） 低电压检测复位（硬件复位2）a、 通过内置在 MCU内部的电压检测电路产生复位信号。内部电压检测电路检测

20、 VDD、 VSS引脚的电压值低于设定阀值时，产生复位信号，直至电源电压正常后，重新运行程序；b、 通过外置电路，对 MCU供电电源电压进行检测，低于设定阀值时，向RST或 /RST 引脚输送复位信号。下图 7-10中的（d）电路，兼具上电复位和低电压检测复位两种功能。 请参见后文电路实例。3）软件复位由程序向专用寄存器写入特定数据的方法， 实现上电后的软件复位， 或运行中的软件复 位控制。图7-10的（c）电路，即采用软件复位的电路实例。MCU的/RST复位端直接和 VDD供电端短接，省去了硬件复位电路。4）看门狗定时器复位由专用定时器对程序运行时间进行监控， 当程序“跑飞” 或处于死循环状

21、态时，看门狗 定时器失去清零信号，定时时间到时会发送系统复位信号，这也是软件复位方法之一；用外部定时器电路，取用 MCU输出的清零信号，当 MCU程序运行异常，不能正常向 外部发送清零信号（喂狗信号）时，定时器（定时时间到后）向MCU 输入复位控制信号，是硬件看门狗复位电路之一。有此机型采用将硬件看门狗、复位电路及MCU 外挂 E2PROM存储器组成的集成器件，完成对MCU的复位、程序运行监控和存储用户程序等多种控制功能。5）振荡停止检测复位CPU和SFR停止运行。也是如果检测到主时钟振荡电路停止工作，开始初始化引脚、由MCU内部电路所实施的检测和复位控制。综上所述，几乎每种形式的复位控制方式

22、，都有软、硬件电路之分，对于软件复位电路的问题，检修者几乎是无从着手进行检测和修复的。实际的硬件电路，只涉及到硬件复位1和低电平检测（硬件复位 2）两种形式的复位控制方式。（2）复位电路的四种电路形式国工11徵拒制器利凹呼見童电筠1）常见、简单复位电路上图中的（a）、（b）电路，是典型的硬件复位电路，在上电时输出复位信号。复位控制引脚有RST（有时标注为 TRST或RESET低电平复位和高电平复位两种控制方式，RST标注字母上方加横线的，表示为低电平复位方式。a、低电平复位电路图7-10中的（a）电路，是一个 RC积分（定时）电路。在上电瞬间，因电容 C1两端的电位 不能突变，/RST引脚为（

23、瞬态）低电平，MCU开始复位动作；随后R1提供C1的充电电流， 逐渐在C1上建立起充电电压，当 C1电压上升5V （常态）高电平后，复位过程结束，程序 执行开始。一般要求复位低电平出现的时刻不小于10ms，或不小于20个时钟周期。由此可确定R1、C1的取值。二极管D1并联在R1两端，提供电容 C1的放电通路。当系统瞬时掉电时， D1可对C1储存 电荷快速泄放，避免电源正常时，C1两端仍保持高电平所造成的复位失效。b、高电平复位电路图7-10中的（b）电路，也是一个 RC积分（定时）电路。上电瞬间，C1 “形同短路”，向RST引脚输送一个5V高电平信号。R1提供C1的充电电流，当C1充电结束（充电电流为零） 后，R1两端电位差为OV, RST引脚变为常态低电平，复位过程结束。2）上电复位和电源电压检测电路MCU供电电源图7-10中的（d）电路，系采用专用芯片（电源电压监视与复位 IC） U1，可在上电、掉电时， 输出一个低电平的复位脉冲信号，使系统执行复位操作。正常