單片機中的晶振電路

在電子學(xué)上，通常將含有晶體管元件的電路稱(chēng)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(chēng)作“無(wú)源電路”。電腦中的晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。無(wú)源晶振與有源晶振的英文名稱(chēng)不同，無(wú)源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無(wú)源晶振是有2個(gè)引腳的無(wú)極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以“無(wú)源晶振”這個(gè)說(shuō)法并不準確；有源晶振有4只引腳，是一個(gè)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的內部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩定，而且連接方式相對簡(jiǎn)單（主要是做好電源濾波，通常使用一個(gè)電容和電感構成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò )，輸出 端用一個(gè)小阻值的電阻過(guò)濾信號即可），不需要復雜的配置電路。相對于無(wú)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(jià)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(gè)極上加一電場(chǎng)，會(huì )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(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng)，同時(shí)機械變形振動(dòng)又會(huì )產(chǎn)生交變電場(chǎng)，雖然這種交變電場(chǎng)的電壓極其微弱，但其振動(dòng)頻率是十分穩定的。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(shí)，機械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現象稱(chēng)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(shí)現。圖3是一個(gè)串聯(lián)型振蕩器，晶體管T1和T2構成的兩級放大器，石英晶體XT與電容C2構成LC 電 路。在這個(gè)電路中，石英晶體相當于一個(gè)電感，C2為可變電容器，調節其容量即可使電路進(jìn)入諧振狀態(tài)。該振蕩器供電電壓為5V，輸出波形為方波。

單片機的內部時(shí)鐘與外部時(shí)鐘

單片機有內部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種：（1）單片機的XTAL1和XTAL2內部有一片內振蕩器結構，但仍需要在XTAL1和XTAL2兩端連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容才能組成時(shí)鐘電路，這種使用晶振配合產(chǎn)生信號的方法是內部時(shí)鐘方式；（2）單片機還可以工作在外部時(shí)鐘方式下，外部時(shí)鐘方式較為簡(jiǎn)單，可直接向單片機XTAL1引腳輸入時(shí)鐘信號方波，而XTAL2管腳懸空。 既然外部時(shí)鐘方式相對內部較為方便，那為什么大多數單片機系統還是選擇內部時(shí)鐘方式呢？這是因為單片機的內部振蕩器能與晶振、電容構成一個(gè)性能非常好的時(shí)鐘信號源，而如果要產(chǎn)生這樣的信號作為外部時(shí)鐘信號輸入到單片機中，則需要添加的器件遠不止一個(gè)晶振和兩個(gè)電容這么簡(jiǎn)單。時(shí)鐘電路在單片機系統中很重要，它能控制著(zhù)單片機工作的節奏，是必不可少的部分。

晶振電路
晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò )。電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò )有兩個(gè)諧振點(diǎn)，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(gè)頻率的距離相當的接近，在這個(gè)極窄的頻率范圍內，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì )組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路，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變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì )有很大的變化。

晶振有一個(gè)重要的參數——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(chēng)的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)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(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)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(gè)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(gè)22pF的電容構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(gè)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 不然不穩定

晶振與單片機的腳XTAL0和腳XTAL1構成的振蕩電路中會(huì )產(chǎn)生偕波(也就是不希望存在的其他頻率的波) 這個(gè)波對電路的影響不大 但會(huì )降低電路的時(shí)鐘振蕩器的穩定性 為了電路的穩定性起見(jiàn) ATMEL公司只是建議在晶振的兩引腳處接入兩個(gè)10pf-50pf的瓷片電容接地來(lái)削減偕波對電路的穩定性的影響 所以晶振所配的電容在10pf-50pf之間都可以的 沒(méi)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(chǎng)商所提供的數值選擇外部元器件。

(2):在許可范圍內，C1，C2值越低越好。C值偏大雖有利于振蕩器的穩定，但將會(huì )增加起振時(shí)間。

(3):應使C2值大于C1值，這樣可使上電時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)家建議負載電容，頻率偏差等。在實(shí)際電路中，也可以通過(guò)示波器觀(guān)察振蕩波形來(lái)判斷振蕩器是否工作在最佳狀態(tài)。示波器在觀(guān)察振蕩波形時(shí)，觀(guān)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(guān)測時(shí)，適當減小在OSCO管腳的電容可以獲得更接近實(shí)際的振蕩波形)。工作良好的振蕩波形應該是一個(gè)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(wèn)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(lái)進(jìn)行測試。如常用的4MHz石英晶體諧振器，通常廠(chǎng)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(shí)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(huì )影響總電容值，故實(shí)際配置C1，C2時(shí)，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(guò)分驅動(dòng)?

電阻RS常用來(lái)防止晶振被過(guò)分驅動(dòng)。過(guò)分驅動(dòng)晶振會(huì )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(shí)鐘輸入需要，則晶振未被過(guò)分驅動(dòng);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(guò)分驅動(dòng)。這時(shí)就需要用電阻RS來(lái)防止晶振被過(guò)分驅動(dòng)。判斷電阻RS值大小的最簡(jiǎn)單的方法就是串聯(lián)一個(gè)5k或10k的微調電阻，從0開(kāi)始慢慢調高，一直到正弦波不再被削平為止。通過(guò)此辦法就可以找到最接近的電阻RS值。