單片機中的晶振電路

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的內部振蕩器，信號質量好，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成的PI型濾波網絡，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，會使晶體產生機械變形；在石英晶片上加上 交 變電壓，晶體就會產生機械振動，同時機械變形振動又會產生交變電場，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構成的兩級放大器，石英晶體XT與電容C2構成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。

單片機的內部時鐘與外部時鐘

單片機有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種：（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XTAL2兩端連接一個晶振和兩個電容才能組成時鐘電路，這種使用晶振配合產生信號的方法是內部時鐘方式；（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部較為方便，那為什么大多數(shù)單片機系統(tǒng)還是選擇內部時鐘方式呢？這是因為單片機的內部振蕩器能與晶振、電容構成一個性能非常好的時鐘信號源，而如果要產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)一個電容的二端網絡。電工學上這個網絡有兩個諧振點，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谶@個極窄的頻率范圍內，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構成的振蕩電路中會產生偕波(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，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。不同廠家生產的石英晶體諧振器和陶瓷諧振器的特性和品質都存在較大差異，在選用，要了解該型號振蕩器的關鍵指標，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動?

電阻RS常用來防止晶振被過分驅動。過分驅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，則晶振被過分驅動。這時就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅動。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的微調電阻，從0開始慢慢調高，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。