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單片機中晶振的工作原理是什么?

發布時間:2022-02-18 責任編輯:lina

【導讀】晶振在單片機中是必不可少的元器件,只要用到CPU的地方就必定有晶振的存在,那么晶振是如何工作的呢。


晶振在單片機中是必不可少的元器件,只要用到CPU的地方就必定有晶振的存在,那么晶振是如何工作的呢?


什么是晶振


晶振一般指晶體振蕩器,晶體振蕩器是指從一塊石英晶體上按一定方位角切下的薄片,簡稱為晶片。


石英晶體諧振器,簡稱為石英晶振(Crystal oscillator),如下圖橢圓物體。


單片機中晶振的工作原理是什么?


而在封裝內部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

晶振工作原理


石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片,在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊一根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。


若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。


單片機中晶振的工作原理是什么?


如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。


在一般情況下,晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。相關推薦:在MCU晶體兩邊各接一對地電容的原因。


當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個皮法到幾十皮法。當晶體振蕩時,機械振動的慣性可用電感L來等效。


一般L的值為幾十豪亨到幾百豪亨。晶片的彈性可用電容C來等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1皮法。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效,它的數值約為100歐。


由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質因數Q很大,可達1000~10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。


計算機都有個計時電路,盡管一般使用“時鐘”這個詞來表示這些設備,但它們實際上并不是通常意義的時鐘,把它們稱為計時器可能更恰當一點。


計算機的計時器通常是一個精密加工過的石英晶體,石英晶體在其張力限度內以一定的頻率振蕩,這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個寄存器與每個石英晶體相關聯,一個計數器和一個保持寄存器。


石英晶體的每次振蕩使計數器減1。當計數器減為0時,產生一個中斷,計數器從保持寄存器中重新裝入初始值。這種方法使得對一個計時器進行編程,令其每秒產生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產生中斷)成為可能。每次中斷稱為一個時鐘嘀嗒。


晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡,電工學上這個網絡有兩個諧振點,以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯諧振,較高的頻率為并聯諧振。


由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當的接近,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上合適的電容它就會組成并聯諧振電路。


這個并聯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,那就是負載電容值,選擇與負載電容值相等的并聯電容,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15皮或12.5皮,如果再考慮元件引腳的等效輸入電容,則兩個22皮的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。


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