單片機(jī)中晶振的工作原理是什么？

晶振在單片機(jī)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。

而在封裝內(nèi)部添加IC組成振蕩電路的晶體元件稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)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(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)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(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)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(gè)電極上加一電場，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。

在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)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(guān)。相關(guān)推薦：在MCU晶體兩邊各接一對(duì)地電容的原因。

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)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(guān)，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)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(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)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(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)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(guān)，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(wěn)定度。

計(jì)算機(jī)都有個(gè)計(jì)時(shí)電路，盡管一般使用“時(shí)鐘”這個(gè)詞來表示這些設(shè)備，但它們實(shí)際上并不是通常意義的時(shí)鐘，把它們稱為計(jì)時(shí)器可能更恰當(dāng)一點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)的計(jì)時(shí)器通常是一個(gè)精密加工過的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)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(gè)寄存器與每個(gè)石英晶體相關(guān)聯(lián)，一個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)保持寄存器。

石英晶體的每次振蕩使計(jì)數(shù)器減1。當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，計(jì)數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值。這種方法使得對(duì)一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行編程，令其每秒產(chǎn)生60次中斷（或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷）成為可能。每次中斷稱為一個(gè)時(shí)鐘嘀嗒。

晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。

由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。

這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)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(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。

晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。

一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。

一般的晶振的負(fù)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(gè)22皮的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

審核編輯：湯梓紅