51單片機(jī)晶振電路原理是什么?

作者： 揚(yáng)興科技 日期：2021-09-23 瀏覽量：

  51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱，是最基礎(chǔ)也是應(yīng)用最廣泛的一種單片機(jī)。晶振為其提供計(jì)算工作速度的功能，是很重要的內(nèi)部件。我們來了解下51 單片機(jī)的晶振電路原理。(相關(guān)閱讀可以查看YXC揚(yáng)興官網(wǎng)《單片機(jī)晶振作用概述》)

  引用atmel的8051微控制器硬件手冊(cè)里面"Oscillator and Clock Circuit"的一段話：XTAL1 and XTAL2 are the input and output of a single-stage on-chip inverter, which can

  be configured with off-chip components as a Pierce oscillator.

  XTAL1和XTAL2指的是8051系單片機(jī)上常見的用于接“晶振”(晶體諧振器-CrystalResonator”)的兩個(gè)引腳。從原理上來說，這兩個(gè)引腳和MCU內(nèi)部一個(gè)反相器相連接。這個(gè)反相器與外部的“晶振”組成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)皮爾斯振蕩器(Pierce oscillator)。因?yàn)檫@個(gè)振蕩器集成在器件內(nèi)部的組件實(shí)在是不能更簡(jiǎn)單啦，就一個(gè)反相器和一個(gè)電阻，非常合適于各種數(shù)字IC的設(shè)計(jì)制造流程。

  深入地分析這個(gè)皮爾斯振蕩器的工作原理時(shí)，不妨把它表述成以下理想的電路形式：

  模電知識(shí)告訴我們，當(dāng)期望得到一個(gè)輸出信號(hào)頻率為的振蕩電路時(shí)，這個(gè)電路必須滿足兩個(gè)條件：2kπ的環(huán)路相移、閉環(huán)增益為1。

  在上面的皮爾斯振蕩器的電路原理圖中，不難發(fā)現(xiàn)反相器U1對(duì)任意的頻率分量均提供了180°，的相移量。同時(shí)，反相器在輸入輸出之間可以看作是一個(gè)buffer，因此通過對(duì)反相器的輸出特性進(jìn)行調(diào)教，較容易得到1的loop gain。

  到這里有人會(huì)問了，相移量只，上面的兩個(gè)條件連一個(gè)都沒達(dá)到，這哪能起振呢?問題的關(guān)鍵在于電路中的其它元件上。

  首先，對(duì)電路中的一顆“晶振”來說，石英晶體本身具有壓電效應(yīng)，對(duì)石英晶體進(jìn)行適當(dāng)處理后可以得到一種壓電諧振器件，這就是常見的石英晶體諧振器(以下簡(jiǎn)稱QCR)。對(duì)QCR的物理特性進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)QCR的壓電諧振過程可以用以下的理想電路模型近乎完美地表示出來。

  右圖的電路模型中，L1-C1-R1組成了一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路，再加上一個(gè)實(shí)際很小的C0，整個(gè)QCR電路模型有兩個(gè)很接近的諧振點(diǎn)。QCR在電路中與反相器并聯(lián)，充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)的作用。整個(gè)振蕩電路在上電時(shí)可以看作是反相器的輸出端打進(jìn)去了一個(gè)階躍信號(hào)，QCR把階躍中諧振點(diǎn)頻率的信號(hào)挑出來，其他沒用的踢掉，在環(huán)路增益為1的情況下整個(gè)電路趨于穩(wěn)態(tài)平衡。

  模電的知識(shí)告訴我們，在QCR // inverter的組合下，這個(gè)皮爾斯振蕩器已經(jīng)具備了一個(gè)理想的振蕩電路中的兩大網(wǎng)絡(luò)(選頻+放大)。貌似振蕩器中的R1和C1//C2沒有什么卵用啊。且慢，這個(gè)R1和C1//C2，正是這個(gè)電路中最美妙的地方。

  把R1與C1//C2單獨(dú)抽出來配合反相器的電路組合貌似并不好理解，假如我們換種方式呢?

  右邊的運(yùn)放電路除了反相結(jié)構(gòu)本身提供的-180°相移外，R-C組合也提供了額外的相位延遲。更加奇妙的是這個(gè)電路組合在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下能夠根據(jù)實(shí)際電路中各元件的誤差自動(dòng)調(diào)整相移大小與反相結(jié)構(gòu)相互匹配(當(dāng)然了諧振頻率也會(huì)有少許改變)，進(jìn)而保證整個(gè)loop的相移滿足條件1。這個(gè)“自動(dòng)調(diào)整”的過程推導(dǎo)起來很占篇幅，在這里略過不表。

  在上面的圖中，還有一個(gè)很巧妙的地方，即R1是并聯(lián)在反相器的輸入輸出端的。這個(gè)小小的電阻和反相器構(gòu)成了一個(gè)反饋通路，進(jìn)而使得人們能將各種模擬電路的分析設(shè)計(jì)方法用在這樣一個(gè)邏輯門電路上，比如通過反饋的方法提高反相器的線性度。在這里將現(xiàn)實(shí)電路中反相器的非理想特性引入設(shè)計(jì)考慮的同時(shí)，卻又能使電路圖保持簡(jiǎn)潔易懂。

  實(shí)際的MCU振蕩電路是“Isolated” Pierce-Gate Oscillator，要考慮的因素比這個(gè)理論模型復(fù)雜得多，但根本原理都是一樣的。振蕩電路輸出的波形，通過下一級(jí)的時(shí)鐘發(fā)生電路(Clock Generator)進(jìn)行整形調(diào)整后，得到具有穩(wěn)定形狀的矩形信號(hào)并輸出至?xí)r鐘樹，作用于整個(gè)MCU的同步邏輯。
以上就是對(duì)51單片機(jī)晶振電路知識(shí)的介紹，希望能幫助到大家。

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