晶振的必要性与作用和原理及常见问题解决方法.docx

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1、什么是晶振晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。对于单片机来说晶振是很重要的，可以说是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，那样的话单片机就无法工作。接下来跟随小编详细的了解一下单片机晶振的电路原理及作用。单片机晶振的必要性单片机工作时，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。一个机器周期包括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l12us,它的一个机器周期是12x(1/12)us,也就是IUSoMCS-51单

2、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，有一些完成得比较慢，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I入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行条指令的时间。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IUSo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IoooUs,也就是Ims。机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义，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

3、数值加1时，实际经过的时间就是Ius,这就是单片机的定时原理。、单片机晶振电路原理(51单片机)XTALl和XTAL2指的是8051系单片机上常见的用于接“晶振”(晶体谐振器-CryStaIReSOnator)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(Pierceoscillator)O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。深入地分析这个皮尔斯振荡器的工作原理时，不妨把它表述成以下理想的电路形式：模电知识告诉我们，当期望得到一个输出信号频

4、率为的振荡电路时，这个电路在必须满足两个条件：2k的环路相移闭环增益为1在上面的皮尔斯振荡器的电路原理图中，不难发现反相器Ul对任意的频率分量均提供了180。，即的和移量。同时，反相器在输入输出之间可以看作是一个buffer,因此通过对反相器的输出特性进行调教，较容易得到1的100Pgain。到这里有人会问了，相移量只有，上面的两个条件连一个都没达到，这却能起振呢？问题的关键在于电路中的其它元件上。首先，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

5、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。右图的电路模型中，LI-Cl-Rl组成了一个RLC串联谐振电路，再加上一个实际很小的CO,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QCRinverter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Rl和C1/C2没有什么卵用啊。且慢，这个Rl和C1

6、/C2,正是这个电路中最美妙的地方。把Rl与C1/C2单独抽出来配合反相器的电路组合貌似并不好理解,假如我们换种方式呢？（图中引进R是为了方便理解反相器中的Ioopvoltagegain）右边的运放电路除了反相结构本身提供的-180。相移外，R-C组合也提供了额外的相位延迟。更加奇妙的是这个电路组合在设计得当的情况下能够根据实际电路中各元件的误差自动调整相移大小与反相结构相互匹配（当然了谐振频率也会有少许改变），进而保证整个1。P的相移满足条件1。这个“自动调整”的过程推导起来很占篇幅，在这里略过不表。在上面的图中，还有一个很巧妙的地方，即RI是并联在反相器的输入输出端的。这个小小的电阻和反相

7、器构成了一个反馈通路，进而使得人们能将各种模拟电路的分析设计方法用在这样一个逻辑门电路上，比如通过反馈的方法提高反相器的线性度。在这里将现实电路中反相器的非理想特性引入设计考虑的同时，却又能使电路图保持简洁易懂。实际的MCU振荡电路是“Isolated”PierCe-GateOSCiIIator,要考虑的因素比这个理论模型复杂得多，但根本原理都是一样的。振荡电路输出的波形，通过下一级的时钟发生电路（QOCkGeneratOr）进行整形调整后，得到具有稳定形状的矩形信号并输出至时钟树，作用于整个MCU的同步逻辑。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

8、，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）o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。单片机晶振常见问题1、PlC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

9、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，原因是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

10、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IOk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？(I)Cl,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，Cl,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Cl值，这样可使上电时，加快晶振起振。

11、单片机晶振不起振原因分析遇到单片机晶振不起振是常见现象，那么引起晶振不起振的原因有哪些呢？(I)PCB板布线错误；(2)单片机质量有问题；(3)晶振质量有问题；(4)负载电容或匹配电容与晶振不匹配或者电容质量有问题；(5)PCB板受潮，导致阻抗失配而不能起振；(6)晶振电路的走线过长；(7)晶振两脚之间有走线；(8)外围电路的影响。解决方案，建议按如下方法逐个排除故障(1)排除电路错误的可能性，因此你可以用相应型号单片机的推荐电路进行比较。(2)排除外围元件不良的可能性，因为外围零件无非为电阻，电容，你很容易鉴别是否为良品。(3)排除晶振为停振品的可能性，因为你不会只试了一二个晶振。(4)试着

12、改换晶体两端的电容，也许晶振就能起振了，电容的大小请参考晶振的使用说明。(5)在PCB布线时晶振电路的走线应尽量短且尽可能靠近IC,杜绝在晶振两脚间走线。单片机晶振电路中两个微调电容不对称会怎样？相差多少会使频率怎样变化？我在检测无线鼠标的接受模块时，发现其频率总是慢慢变化(就是一直不松探头的手,发现频率慢慢变小)晶振是新的！答：电容不对称也不会引起频率的漂移,你说的频率漂移可能是因为晶振的电容的容量很不稳定引起的,你可以换了试,换两电容不难,要不就是你的晶振的稳定性太差了,或者你测量的方法有问题.51单片机时钟电路用12MHZ的晶振时那电容的值是怎样得出来的？拿内部时钟电路来说明吧！答：其实

13、这两个电容没人能够解释清楚到底怎么选值，因为22pF实在是太小了。这个要说只能说和内部的振荡电路自身特性有关系，搭配使用，用来校正波形，没有人去深究它到底为什么就是这么大的值。晶振为何被要求紧挨着IC,单片机晶振不起振？答：原因如下：晶振是通过电激励来产生固定频率的机械振动，而振动又会产生电流反馈给电路，电路接到反馈后进行信号放大，再次用放大的电信号来激励晶振机械振动，晶振再将振动产生的电流反馈给电路，如此这般。当电路中的激励电信号和晶振的标称频率相同时，电路就能输出信号强大，频率稳定的正弦波。整形电路再将正弦波变成方波送到数字电路中供其使用。问题在于晶振的输出能力有限，它仅仅输出以亳瓦为单位

14、的电能量。在IC（集成电路）内部，通过放大器将这个信号放大几百倍甚至上千倍才能正常使用。晶振和IC间一般是通过铜走线相连的，这根走线可以看成一段导线或数段导线，导线在切割磁力线的时候会产生电流，导线越长，产生的电流越强。现实中，磁力线不常见，电磁波却到处都是，例如：无线广播发射、电视塔发射、手机通讯等等。晶振和IC之间的连线就变成了接收天线，它越长，接收的信号就越强，产生的电能量就越强，直到接收到的电信号强度超过或接近晶振产生的信号强度时，IC内的放大电路输出的将不再是固定频率的方波了，而是乱七八糟的信号，导致数字电路无法同步工作而出错。所以，画PCB（电路板）的时候，晶振离它的放大电路（IC

15、管脚）越近越好。单片机晶振与速度的疑问，执行一条指令的周期不是由晶振决定的吗。那么比如51单片机和MSP430,给51接高速晶振，430接低速的，是不是51跑的要快？是不是速度单片机速度仅仅与晶振有关，关键是单片机能不能支持那么大的晶振？我的理解对吗？答：每个单片机的速度是受到内部逻辑门电平跳变速度的。你说的没错，对于一个51,给他用更高的晶振，速度会快些。但是对于高级的单片机就不一样了。高级单片机内部，一般都是有频率控制寄存器的，所以，简单的增加晶振，可能达到单片机的极限，导致跑飞。单片机的运行速度和晶振大小的关系，若单片机的最局工作频率是40M,晶振是否可以选择24M或更高,但不超过40M

16、,这样单片机的运行速度是否大增？长期在此工作频率下对单片机是否有不良影响？单片机对晶振的选择的原则是怎样的？答：当然是有影响的,单片机的工作速度越快,功耗也越大,受干扰也会越厉害,总之最高能跑40M的,跑不超过40M的是没有问题的,只是对相关的技术（如PCB的设计元件的选取等）会高去很多.请问：有什么方法可以确定某一款单片机在某一大小的晶振下是否能正常工作？答：晶振好比单片机的心脏晶振选择太高不太合适，具体晶振上限是多少，恐怕测不出来，只能按照人家单片机的要求，一般STC系列单片机上限是35M或40M,StC单凭上写的有,如STC11F16XE351-LQFP44G其中351就是晶振最高35M的工业级芯片。超过上限会出现什么样的问题，没有测试过，一般晶振选择12M的比较多，如果选择STCIT指令的，就相