晶振電路原理介紹

1、        晶體振蕩器，簡稱晶振。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(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)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

2、有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，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15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 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（諧振）的英文名稱不同，無源晶振為cry

3、stal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無源晶振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；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。 諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。 晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振振蕩器。 石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應，從物理學中知道，若在晶片的兩個極板間加一電場，會使晶體產生機械變形；反之，若在極板間施加機械力，又會在相應的方向上產生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。如在極板間所加的是交變電壓，就會產生機械變形振動，

4、同時機械變形振動又會產生交變電場。一般來說，這種機械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）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，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點是頻率穩(wěn)定度很高。 石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應來起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內置IC來共同作用來工作的。振蕩器直接應用于電路中，諧振器工作時一般需要提供3.3V電壓來維持工作。振蕩器比諧振器多了一個重要技術參數(shù)為：諧振電阻（RR），諧振器沒有電阻要

5、求。RR的大小直接影響電路的性能，也是各商家競爭的一個重要參數(shù)。 概述 微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時鐘源、匹配電阻和電容、溫度補償?shù)?。圖1給出了兩種時鐘源。圖1給出了兩個分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡單的RC反饋振蕩器。  機械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別     

6、0;   基于晶振與陶瓷諧振槽路(機械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對而言，RC振蕩器能夠快速啟動，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內精度較差，會在標稱輸出頻率的5%至50%范圍內變化。圖1所示的電路能產生可靠的時鐘信號，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應的負載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對放大器的選擇并不敏感，但在過驅動時很容易產生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI

7、)、機械震動與沖擊、濕度和溫度。這些因素會增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會造成振蕩器停振。 振蕩器模塊 上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當?shù)木取?#160;功耗 選擇振蕩器時還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容

8、值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時，相當于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負載電容，整個電源電流為2.2mA。 陶瓷諧振槽路一般具有較大的負載電容，相應地也需要更多的電流。 相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。 硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個微安到可編程器件的幾個毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時只需不到2mA的電流。 結論 在特定的微控制器應用中，選擇最佳的時鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、

9、成本、功耗以及環(huán)境需求。下表給出了幾種常用的振蕩器類型，并分析了各自的優(yōu)缺點。 晶振電路的作用電容大小沒有固定值。一般二三十p。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。和電腦的 CPU概念一樣。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。接地的話數(shù)字電路弄的來亂一點也無所謂?？窗遄由嫌袥]有模擬電路。接地方式也是不固定的。一般串聯(lián)式接地。從小信號到大信號依次接。然后小信號連到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

10、。但是主流是接入兩個33pf的瓷片電容，所以還是隨主流。晶振電路的原理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(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)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?在這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)，那就是負

11、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15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。晶振電路中常見問題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，

12、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

13、在1020pF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，容易導致振蕩器停振，原因是: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1030pF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2015pF左右。并且C1，C2使用瓷片電容為佳。問:如何判斷電路中晶振是否被過分驅動?答: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