單片機晶振電路原理及作用_單片機晶振電路設計
在電子學上，通常將含有晶體管元件的電路稱作“有源電路”（如有源音箱、有源濾波器等），而僅由阻容元件組成的電路稱作“無源電路”。電腦中的晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型。無源晶振與有源晶振的英文名稱不同，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振是有2個引腳的無極性元件，需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來，所以“無源晶振”這個說法并不準確；有源晶振有4只引腳，是一個完整的振蕩器，其中除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件，因此體積較大。
有源晶振
有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。
有源晶振不需要DSP的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡，輸出 端用一個小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復雜的配置電路。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較 差，而且價格高。
有源晶振是右石英晶體組成的,石英晶片之所以能當為振蕩器使用，是基于它的壓電效應：在晶片的兩個極上加一電場，會使晶體產(chǎn)生機械變形；在石英晶片上加上 交 變電壓，晶體就會產(chǎn)生機械振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場，雖然這種交變電場的電壓極其微弱，但其振動頻率是十分穩(wěn)定的。當外加交變電壓的頻率與 晶片的固有頻率(由晶片的尺寸和形狀決定)相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。
壓電諧振狀態(tài)的建立和維持都必須借助于振蕩器電路才能實現(xiàn)。圖3是一個串聯(lián)型振蕩器，晶體管T1和T2構(gòu)成的兩級放大器，石英晶體XT與電容C2構(gòu)成LC 電 路。在這個電路中，石英晶體相當于一個電感，C2為可變電容器，調(diào)節(jié)其容量即可使電路進入諧振狀態(tài)。該振蕩器供電電壓為5V，輸出波形為方波。
單片機的內(nèi)部時鐘與外部時鐘
單片機有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種：（1）單片機的XTAL1和XTAL2內(nèi)部有一片內(nèi)振蕩器結(jié)構(gòu)，但仍需要在XTAL1和XTAL2兩端連接一個晶振和兩個電容才能組成時鐘電路，這種使用晶振配合產(chǎn)生信號的方法是內(nèi)部時鐘方式；（2）單片機還可以工作在外部時鐘方式下，外部時鐘方式較為簡單，可直接向單片機XTAL1引腳輸入時鐘信號方波，而XTAL2管腳懸空。 既然外部時鐘方式相對內(nèi)部較為方便，那為什么大多數(shù)單片機系統(tǒng)還是選擇內(nèi)部時鐘方式呢？這是因為單片機的內(nèi)部振蕩器能與晶振、電容構(gòu)成一個性能非常好的時鐘信號源，而如果要產(chǎn)生這樣的信號作為外部時鐘信號輸入到單片機中，則需要添加的器件遠不止一個晶振和兩個電容這么簡單。時鐘電路在單片機系統(tǒng)中很重要，它能控制著單片機工作的節(jié)奏，是必不可少的部分。
晶振電路
晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡。電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分，其中較低的頻率是串聯(lián)諧振；較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。
晶振有一個重要的參數(shù)——負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容。請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15pF或12.5pF，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22pF的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。
如上圖:晶振是給單片機提供工作信號脈沖的 這個脈沖就是單片機的工作速度 比如 12M晶振 單片機工作速度就是每秒12M 當然 單片機的工作頻率是有范圍的不能太大 一般24M就不上去了 不然不穩(wěn)定。
晶振與單片機的腳XTAL0和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生偕波(也就是不希望存在的其他頻率的波) 這個波對電路的影響不大 但會降低電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性 為了電路的穩(wěn)定性起見 ATMEL公司只是建議在晶振的兩引腳處接入兩個10pf-50pf的瓷片電容接地來削減偕波對電路的穩(wěn)定性的影響 所以晶振所配的電容在10pf-50pf之間都可以的 沒有什么計算公式。
晶振電路中如何選擇電容C1，C2
(1)因為每一種晶振都有各自的特性，所以最好按制造廠商所提供的數(shù)值選擇外部元器件。
(2)在許可范圍內(nèi)，C1，C2值越低越好。C值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會增加起振時間。
(3)應使C2值大于C1值，這樣可使上電時，加快晶振起振。
在石英晶體諧振器和陶瓷諧振器的應用中，需要注意負載電容的選擇。不同廠家生產(chǎn)的石英晶體諧振器和陶瓷諧振器的特性和品質(zhì)都存在較大差異，在選用，要了解該型號振蕩器的關(guān)鍵指標，如等效電阻，廠家建議負載電容，頻率偏差等。在實際電路中，也可以通過示波器觀察振蕩波形來判斷振蕩器是否工作在最佳狀態(tài)。示波器在觀察振蕩波形時，觀察OSCO管腳(Oscillator output)，應選擇100MHz帶寬以上的示波器探頭，這種探頭的輸入阻抗高，容抗小，對振蕩波形相對影響小。(由于探頭上一般存在10～20pF的電容，所以觀測時，適當減小在OSCO管腳的電容可以獲得更接近實際的振蕩波形)。工作良好的振蕩波形應該是一個漂亮的正弦波，峰峰值應該大于電源電壓的70%。若峰峰值小于70%，可適當減小OSCI及OSCO管腳上的外接負載電容。反之，若峰峰值接近電源電壓且振蕩波形發(fā)生畸變，則可適當增加負載電容。
用示波器檢測OSCI(Oscillator input)管腳，如何解決容易導致振蕩器停振的問題?
部分的探頭阻抗小不可以直接測試，可以用串電容的方法來進行測試。如常用的4MHz石英晶體諧振器，通常廠家建議的外接負載電容為10～30pF左右。若取中心值15pF，則C1，C2各取30pF可得到其串聯(lián)等效電容值15pF。同時考慮到還另外存在的電路板分布電容，芯片管腳電容，晶體自身寄生電容等都會影響總電容值，故實際配置C1，C2時，可各取20～15pF左右。并且C1，C2使用瓷片電容為佳。
如何判斷電路中晶振是否被過分驅(qū)動?
電阻RS常用來防止晶振被過分驅(qū)動。過分驅(qū)動晶振會漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升？捎靡慌_示波器檢測OSC輸出腳，如果檢測一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動;相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅(qū)動。這時就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅(qū)動。判斷電阻RS值大小的最簡單的方法就是串聯(lián)一個5k或10k的微調(diào)電阻，從0開始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不再被削平為止。通過此辦法就可以找到最接近的電阻RS值。
編輯：admin 最后修改時間：2019-08-09
