什么是晶振

晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機(jī)電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。

對(duì)于單片機(jī)來說晶振是很重要的，可以說是沒有晶振就沒有時(shí)鐘周期，沒有時(shí)鐘周期就無(wú)法執(zhí)行程序代碼，那樣的話單片機(jī)就無(wú)法工作。接下來跟隨小編詳細(xì)的了解一下單片機(jī)晶振的電路原理及作用。

單片機(jī)晶振的必要性

單片機(jī)工作時(shí)，是一條一條地從ROM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機(jī)訪問一次存儲(chǔ)器的時(shí)間，稱之為一個(gè)機(jī)器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。一個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)單片機(jī)選擇了12MHZ晶振，它的時(shí)鐘周期是1/12us，它的一個(gè)機(jī)器周期是12x（1/12）us，也就是1US。

MCS-51單片機(jī)的所有指令中，有一些完成得比較快，只要一個(gè)機(jī)器周期就行了，有一些完成得比較饅，得要2個(gè)機(jī)器周期，還有兩條指令要4個(gè)機(jī)器周期才行。為了衡量指令執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短，又引|入一個(gè)新的概念： 指令周期。所謂指令周期就是指執(zhí)行條指令的時(shí)間。例如，當(dāng)需要計(jì)算DJNZ指令完成所需要的時(shí)間時(shí)，首先必須要知道晶振的頻率，設(shè)所用晶振為12MHZ，則一個(gè)機(jī)器周期就是1US。而DJNZ指令是雙周期指令，所以執(zhí)行一次要2US。如果該指令需要執(zhí)行500次，正好1000us，也就是1ms。

機(jī)器周期不僅對(duì)于指令執(zhí)打有著重要的意義，而且機(jī)器周期也是單片機(jī)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的時(shí)間基準(zhǔn)。例如一個(gè)單片機(jī)選擇了12MHZ晶振，那么當(dāng)定時(shí)器的數(shù)值加1時(shí)，實(shí)際經(jīng)過的時(shí)間就是1us，這就是單片機(jī)的定時(shí)原理。

單片機(jī)晶振電路原理（51單片機(jī)）

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-Crystal Resonator”）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)電路在必須滿足兩個(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°，即的相移量。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，相移量只有，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？

（圖中引進(jìn)R’是為了方便理解反相器中的loop voltage gain）

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。

單片機(jī)晶振的作用

單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。

晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。

在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。

單片機(jī)晶振常見問題

1、PIC單片機(jī)振蕩電路中如何選擇晶體？

對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒，往往用低電壓以求低功耗的系統(tǒng)，這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振，這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，原因時(shí)上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩，在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易，在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(lì)，容易振到高次諧波上，也不能欠激勵(lì)不容易起振，晶體的選擇至少必須考慮、諧振頻點(diǎn)、負(fù)載電容、激勵(lì)功率、溫度特性長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2、如何判斷電路中晶振是否被過分驅(qū)動(dòng)？

電阻RS常用來防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)，過分驅(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，可用一臺(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，則晶振被過分驅(qū)動(dòng)，這時(shí)就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅(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。

3、晶振電路中如何選擇電容？

（1）C1，C21，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。