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单片机晶振脚的原理解析

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单片机晶振脚的原理解析

发布日期:2017-11-23 作者:admin 点击:

   晶振电路需要2个10-30pF级别的电容作为起振用途,10-30pF具体的值根据不同的晶振频率不同的单片机而有所不同,作用都是使晶振起振,如果去掉这2个电容,晶振就不会起振,就没有频率输出,单片机就不会工作。

  也有串并连电阻的案例,正常我们不需要那么做,官方的Deom里也是没有的

  XTAL1和XTAL2指的是8051系单片机上常见的用于接“晶振”(晶体谐振器-Crystal Resonator”)的两个引脚。从原理上来说,这两个引脚和MCU内部一个反相器相连接。这个反相器与外部的“晶振”组成一个构成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)。因为这个振荡器集成在器件内部的组件实在是不能更简单啦,就一个反相器和一个电阻,非常合适于各种数字IC的设计制造流程。

  原理:

  XTAL1和XTAL2分别是一个反相器的输入和输出。NMOS的反相器是所谓的E-D结构的电路(一个增强型MOS提供逻辑,一个耗尽型MOS提供上拉),在模拟应用的情形下,从XTAL1提供外部时钟是不好的(反馈网络产生不期望的副作用),而把XTAL1接地,直接从XTAL2驱动内部电路并不需要额外的驱动能力。

  CMOS反相器接成振荡电路,可以使用大得多的反馈电阻,直接驱动XTAL1不会有问题,且不允许另外的驱动源连接到XTAL2,故从XTAL1提供外部时钟。

  单片机晶振脚的原理解析

  一份电路在其输出端串接了一个22K的电阻,在其输出端和输入端之间接了一个10M的电阻,这是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器,将输入进行反向180度输出,晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移,整个环路的相移360度,满足振荡的相位条件,同时还要求闭环增益大于等于1,晶体才正常工作。

  晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈,保证放大器工作在高增益的线性区,一般在M欧级,输出端的电阻与负载电容组成网络,提供180度相移,同时起到限流的作用,防止反向器输出对晶振过驱动,损坏晶振。

  和晶振串联的电阻常用来预防晶振被过分驱动。晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀,这将引起频率的上升,并导致晶振的早期失效,又可以讲drive level调整用。用来调整drive level和发振余裕度。

  Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器,反相器是不能驱动晶体震荡的。因此,在反相器的两端并联一个电阻,由电阻完成将输出的信号反向 180度反馈到输入端形成负反馈,构成负反馈放大电路。晶体并在电阻上,电阻与晶体的等效阻抗是并联关系,自己想一下是电阻大还是电阻小对晶体的阻抗影响小大?

  电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路,形成放大器,当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振,由于晶体的Q值非常高,因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率。过去,曾经试验此电路的稳定性时,试过从100K~20M都可以正常启振,但会影响脉宽比的。

  晶体的Q值非常高, Q值是什么意思呢? 晶体的串联等效阻抗是 Ze = Re + jXe, Re《《 |jXe|, 晶体一般等效于一个Q很高很高的电感,相当于电感的导线电阻很小很小。Q一般达到10^-4量级。

  避免信号太强打坏晶体的。电阻一般比较大,一般是几百K。串进去的电阻是用来限制振荡幅度的,并进去的两颗电容根据LZ的晶振为几十MHZ一般是在20~30P左右,主要用与微调频率和波形,并影响幅度,并进去的电阻就要看 IC spec了,有的是用来反馈的,有的是为过EMI的对策

  可是转化为并联等效阻抗后,Re越小,Rp就越大,这是有现成的公式的。晶体的等效Rp很大很大。外面并的电阻是并到这个Rp上的,于是,降低了Rp值 -----> 增大了Re -----> 降低了Q

  精确的分析还可以知道,对频率也会有很小很小的影响。

  对电路中的一颗“晶振”来说,石英晶体本身具有压电效应,对石英晶体进行适当处理后可以得到一种压电谐振器件,这就是常见的石英晶体谐振器(以下简称QCR)。对QCR的物理特性进行分析,可以发现QCR的压电谐振过程可以用以下的理想电路模型近乎完美地表示出来。

  单片机晶振脚的原理解析

  右图的电路模型中,L1-C1-R1组成了一个RLC串联谐振电路,再加上一个实际很小的C0,整个QCR电路模型有两个很接近的谐振点。QCR在电路中与反相器并联,充当的是一个右图的电路模型中,L1-C1-R1组成了一个RLC串联谐振电路,再加上一个实际很小的C0,整个QCR电路模型有两个很接近的谐振点。QCR在电路中与反相器并联,充当的是一个选频网络的作用。整个振荡电路在上电时可以看作是反相器的输出端打进去了一个阶跃信号,QCR把阶跃中谐振点频率的信号挑出来,其他没用的踢掉,在环路增益为1的情况下整个电路趋于稳态平衡。

  模电的知识告诉我们,在QCR // inverter的组合下,这个皮尔斯振荡器已经具备了一个理想的振荡电路中的两大网络(选频+放大)。貌似振荡器中的R1和C1//C2没有什么卵用啊。且慢,这个R1和C1//C2,正是这个电路中最美妙的地方。

  总结并联电阻的四大作用

  1、配合IC内部电路组成负反馈、移相,使放大器工作在线性区;

  2、限流防止谐振器被过驱;

  3、并联降低谐振阻抗,使谐振器易启动;

  4、电阻取值影响波形的脉宽。


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