单片机振荡电路中如何选择晶体?
eeskill 2022-09-28

1.单片机晶振的原理

晶振一般采用三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路;实际的晶振交流等效电路中,其中Cv是用来调节振荡频率,一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现,这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路代替晶体后。其中Co,C1,L1,RR是晶体的等效电路。

分析整个振荡槽路可知,利用Cv来改变频率是有限的:决定振荡频率的整个槽路C=Cbe,Cce,Cv三个串联后和Co并联再和C1串联。可以看出:C1越小,Co越大,Cv变化时对整个槽路的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上,由于C1很小(1E-15量级),Co不能忽略(1E-12量级,几PF)。所以,Cv变大时,降低槽路频率的作用越来越小,Cv变小时,升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性,压控范围越大,非线性就越厉害;另一方面,分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小,最后导致停振。通过晶振的原理图你应该大致了解了晶振的作用以及工作过程了吧。采用泛音次数越高的晶振,其等效C1就越小;因此频率的变化范围也就越小。

2.单片机晶振的必要性

简单地说,没有晶振,就没有时钟周期,没有时钟周期,就无法执行程序代码,单片机就无法工作。

单片机工作时,是一条一条地从RoM中取指令,然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHZ晶振,它的时钟周期是1/12us,它的一个机器周期是12×(1/12)us,也就是1us。

MCS—51单片机的所有指令中,有一些完成得比较快,只要一个机器周期就行了,有一些完成得比较馒,得要2个机器周期,还有两条指令要4个机器周期才行。为了衡量指令执行时间的长短,又引入一个新的概念:指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。例如,当需要计算DJNZ指令完成所需要的时间时,首先必须要知道晶振的频率,设所用晶振为12MHZ,则一个机器周期就是1us。而DJNZ指令是双周期指令,所以执行一次要2us。如果该指令需要执行500次,正好1000us,也就是1ms。

机器周期不仅对于指令执打有着重要的意义,而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHZ晶振,那么当定时器的数值加1时,实际经过的时间就是1us,这就是单片机的定时原理。

3.单片机晶振的检测

用万用表测量晶体振荡器是否工作的方法:测量两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半,比如51单片机的工作电压是+5V则是否是2.5V左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚,这个电压有明显变化,证明是起振了的。

4.单片机晶振的作用

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。

5.单片机晶振的常见问题

1,PIC单片机振荡电路中如何选择晶体?

对于一个高可靠性的系统设计,晶体的选择非常重要,尤其设计带有睡眠唤醒,往往用低电压以求低功耗的系统,这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少,造成晶体起振很慢或根本就不能起振,这一现象在上电复位时并不特别明显,原因时上电时电路有足够的扰动,很容易建立振荡,在睡眠唤醒时,电路的扰动要比上电时小得多,起振变得很不容易,在振荡回路中,晶体既不能过激励,容易振到高次谐波上,也不能欠激励不容易起振,晶体的选择至少必须考虑、谐振频点、负载电容、激励功率、温度特性长期稳定性。

2,如何判断电路中晶振是否被过分驱动?

电阻RS常用来防止晶振被过分驱动,过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀这将引起频率的上升,可用一台示波器检测,OSC,输出脚,如果检测一非常清晰的正弦波且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要,则晶振未被过分驱动,相反,如果正弦波形的波峰,波谷两端被削平,而使波形成为方形,则晶振被过分驱动,这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动,判断电阻RS值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻,从0开始慢慢调高,一直到正弦波不再被削平为止,通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。

3,晶振电路中如何选择电容?

(1)C1,C21,因为每一种晶振都有各自的特性,所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。

(2)在许可范围内,C1,C2值越低越好,C值偏大虽有利于振荡器的稳定,但将会增加起振时间。

(3)应使C2值大于C1值,这样可使上电时,加快晶振起振。

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