單片機(jī)中的晶振電路

有源晶振與無(wú)源晶振

在電子學(xué)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(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型。無(wú)源晶振與有源晶振的英文名稱不同，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(hào)，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(zhǔn)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(nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)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(gòu)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(hào)即可)，不需要復(fù)雜的配置電路。相對(duì)于無(wú)源晶體，有源晶振的缺陷是其信號(hào)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(dāng)為振蕩器使用，是基于它的壓電效應(yīng)：在晶片的兩個(gè)極上加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形;在石英晶片上加上 交 變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)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(wěn)定的。當(dāng)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(jī)械振動(dòng)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(shí)現(xiàn)。圖3是一個(gè)串聯(lián)型振蕩器，晶體管T1和T2構(gòu)成的兩級(jí)放大器，石英晶體XT與電容C2構(gòu)成LC 電 路。在這個(gè)電路中，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)電感，C2為可變電容器，調(diào)節(jié)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(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘與外部時(shí)鐘

單片機(jī)有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種：(1)單片機(jī)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(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(hào)的方法是內(nèi)部時(shí)鐘方式;(2)單片機(jī)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(jī)XTAL1引腳輸入時(shí)鐘信號(hào)方波，而XTAL2管腳懸空。 既然外部時(shí)鐘方式相對(duì)內(nèi)部較為方便，那為什么大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)還是選擇內(nèi)部時(shí)鐘方式呢?這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的內(nèi)部振蕩器能與晶振、電容構(gòu)成一個(gè)性能非常好的時(shí)鐘信號(hào)源，而如果要產(chǎn)生這樣的信號(hào)作為外部時(shí)鐘信號(hào)輸入到單片機(jī)中，則需要添加的器件遠(yuǎn)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(jī)系統(tǒng)中很重要，它能控制著單片機(jī)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(jiǎn)稱，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(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，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(fù)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(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(shù)——負(fù)載電容值，選擇與負(fù)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(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(yīng)該等于負(fù)載電容。請(qǐng)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(fù)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(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(jī)提供工作信號(hào)脈沖的 這個(gè)脈沖就是單片機(jī)的工作速度 比如 12M晶振 單片機(jī)工作速度就是每秒12M 當(dāng)然 單片機(jī)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(jī)的腳XTAL0和腳XTAL1構(gòu)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(duì)電路的影響不大 但會(huì)降低電路的時(shí)鐘振蕩器的穩(wěn)定性 為了電路的穩(wěn)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(duì)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(méi)有什么計(jì)算公式。

晶振電路中如何選擇電容C1，C2?

(1)因?yàn)槊恳环N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(huì)增加起振時(shí)間。

(3)應(yīng)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(yīng)用中，需要注意負(fù)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(hào)振蕩器的關(guān)鍵指標(biāo)，如等效電阻，廠家建議負(fù)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)。示波器在觀察振蕩波形時(shí)，觀察OSCO管腳(Oscillator output)，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(duì)振蕩波形相對(duì)影響小。(由于探頭上一般存在10～20pF的電容，所以觀測(cè)時(shí)，適當(dāng)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(yīng)該是一個(gè)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(fù)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(fù)載電容。

用示波器檢測(cè)OSCI(Oscillator input)管腳，如何解決容易導(dǎo)致振蕩器停振的問(wèn)題?

部分的探頭阻抗小不可以直接測(cè)試，可以用串電容的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。如常用的4MHz石英晶體諧振器，通常廠家建議的外接負(fù)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(qū)動(dòng)?

電阻RS常用來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。過(guò)分驅(qū)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_(tái)示波器檢測(cè)OSC輸出腳，如果檢測(cè)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(qū)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(qū)動(dòng)。這時(shí)就需要用電阻RS來(lái)防止晶振被過(guò)分驅(qū)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(diào)電阻，從0開(kāi)始慢慢調(diào)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。