單片機晶振電路原理和作用概述

作者： 揚興科技 日期：2021-09-23 瀏覽量：

  晶振是電子元器件中很重要的一個元器件，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。單片機中也少不了晶振的存在，我們來看看單片機晶振電路的原理和作用。

  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(luò)。電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)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(dāng)?shù)慕咏谶@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(biāo)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(yīng)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。(相關(guān)閱讀可以查看YXC揚興官網(wǎng)《單片機晶振電路為什么用22pf或30pf的電容》)

  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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)，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(Oscillatoroutput)，應(yīng)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(dāng)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(yīng)該是一個漂亮的正弦波，峰峰值應(yīng)該大于電源電壓的70%。若峰峰值小于70%，可適當(dāng)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(dāng)增加負載電容。

  用示波器檢測OSCI(Oscillator input)管腳，如何解決容易導(dǎo)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。

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