單片機(jī)晶振腳的原理解析

　　晶振電路需要2個(gè)10-30pF級(jí)別的電容作為起振用途，10-30pF具體的值根據(jù)不同的晶振頻率不同的單片機(jī)而有所不同，作用都是使晶振起振，如果去掉這2個(gè)電容，晶振就不會(huì)起振，就沒(méi)有頻率輸出，單片機(jī)就不會(huì)工作。

　　也有串并連電阻的案例，正常我們不需要那么做，官方的Deom里也是沒(méi)有的

　　XTAL1和XTAL2指的是8051系單片機(jī)上常見(jiàn)的用于接“晶振”（晶體諧振器-Crystal Resonator”）的兩個(gè)引腳。從原理上來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)引腳和MCU內(nèi)部一個(gè)反相器相連接。這個(gè)反相器與外部的“晶振”組成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。因?yàn)檫@個(gè)振蕩器集成在器件內(nèi)部的組件實(shí)在是不能更簡(jiǎn)單啦，就一個(gè)反相器和一個(gè)電阻，非常合適于各種數(shù)字IC的設(shè)計(jì)制造流程。

　　原理：

　　XTAL1和XTAL2分別是一個(gè)反相器的輸入和輸出。NMOS的反相器是所謂的E-D結(jié)構(gòu)的電路（一個(gè)增強(qiáng)型MOS提供邏輯，一個(gè)耗盡型MOS提供上拉），在模擬應(yīng)用的情形下，從XTAL1提供外部時(shí)鐘是不好的（反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不期望的副作用），而把XTAL1接地，直接從XTAL2驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路并不需要額外的驅(qū)動(dòng)能力。

　　CMOS反相器接成振蕩電路，可以使用大得多的反饋電阻，直接驅(qū)動(dòng)XTAL1不會(huì)有問(wèn)題，且不允許另外的驅(qū)動(dòng)源連接到XTAL2，故從XTAL1提供外部時(shí)鐘。

　　一份電路在其輸出端串接了一個(gè)22K的電阻，在其輸出端和輸入端之間接了一個(gè)10M的電阻，這是由于連接晶振的芯片端內(nèi)部是一個(gè)線性運(yùn)算放大器，將輸入進(jìn)行反向180度輸出，晶振處的負(fù)載電容電阻組成的網(wǎng)絡(luò)提供另外180度的相移，整個(gè)環(huán)路的相移360度，滿足振蕩的相位條件，同時(shí)還要求閉環(huán)增益大于等于1，晶體才正常工作。

　　晶振輸入輸出連接的電阻作用是產(chǎn)生負(fù)反饋，保證放大器工作在高增益的線性區(qū)，一般在M歐級(jí)，輸出端的電阻與負(fù)載電容組成網(wǎng)絡(luò)，提供180度相移，同時(shí)起到限流的作用，防止反向器輸出對(duì)晶振過(guò)驅(qū)動(dòng)，損壞晶振。

　　和晶振串聯(lián)的電阻常用來(lái)預(yù)防晶振被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。晶振過(guò)分驅(qū)動(dòng)的后果是將逐漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升，并導(dǎo)致晶振的早期失效，又可以講drive level調(diào)整用。用來(lái)調(diào)整drive level和發(fā)振余裕度。

　　Xin和Xout的內(nèi)部一般是一個(gè)施密特反相器，反相器是不能驅(qū)動(dòng)晶體震蕩的。因此，在反相器的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，由電阻完成將輸出的信號(hào)反向 180度反饋到輸入端形成負(fù)反饋，構(gòu)成負(fù)反饋放大電路。晶體并在電阻上，電阻與晶體的等效阻抗是并聯(lián)關(guān)系，自己想一下是電阻大還是電阻小對(duì)晶體的阻抗影響小大？

　　電阻的作用是將電路內(nèi)部的反向器加一個(gè)反饋回路，形成放大器，當(dāng)晶體并在其中會(huì)使反饋回路的交流等效按照晶體頻率諧振，由于晶體的Q值非常高，因此電阻在很大的范圍變化都不會(huì)影響輸出頻率。過(guò)去，曾經(jīng)試驗(yàn)此電路的穩(wěn)定性時(shí)，試過(guò)從100K～20M都可以正常啟振，但會(huì)影響脈寬比的。

　　晶體的Q值非常高， Q值是什么意思呢？ 晶體的串聯(lián)等效阻抗是 Ze = Re + jXe， Re《《 |jXe|， 晶體一般等效于一個(gè)Q很高很高的電感，相當(dāng)于電感的導(dǎo)線電阻很小很小。Q一般達(dá)到10^-4量級(jí)。

　　避免信號(hào)太強(qiáng)打壞晶體的。電阻一般比較大，一般是幾百K。串進(jìn)去的電阻是用來(lái)限制振蕩幅度的，并進(jìn)去的兩顆電容根據(jù)LZ的晶振為幾十MHZ一般是在20~30P左右，主要用與微調(diào)頻率和波形，并影響幅度，并進(jìn)去的電阻就要看 IC spec了，有的是用來(lái)反饋的，有的是為過(guò)EMI的對(duì)策

　　可是轉(zhuǎn)化為并聯(lián)等效阻抗后，Re越小，Rp就越大，這是有現(xiàn)成的公式的。晶體的等效Rp很大很大。外面并的電阻是并到這個(gè)Rp上的，于是，降低了Rp值 -----＞ 增大了Re -----＞ 降低了Q

　　精確的分析還可以知道，對(duì)頻率也會(huì)有很小很小的影響。

　　對(duì)電路中的一顆“晶振”來(lái)說(shuō)，石英晶體本身具有壓電效應(yīng)，對(duì)石英晶體進(jìn)行適當(dāng)處理后可以得到一種壓電諧振器件，這就是常見(jiàn)的石英晶體諧振器（以下簡(jiǎn)稱QCR）。對(duì)QCR的物理特性進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)QCR的壓電諧振過(guò)程可以用以下的理想電路模型近乎完美地表示出來(lái)。

　　右圖的電路模型中，L1-C1-R1組成了一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路，再加上一個(gè)實(shí)際很小的C0，整個(gè)QCR電路模型有兩個(gè)很接近的諧振點(diǎn)。QCR在電路中與反相器并聯(lián)，充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)右圖的電路模型中，L1-C1-R1組成了一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路，再加上一個(gè)實(shí)際很小的C0，整個(gè)QCR電路模型有兩個(gè)很接近的諧振點(diǎn)。QCR在電路中與反相器并聯(lián)，充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)的作用。整個(gè)振蕩電路在上電時(shí)可以看作是反相器的輸出端打進(jìn)去了一個(gè)階躍信號(hào)，QCR把階躍中諧振點(diǎn)頻率的信號(hào)挑出來(lái)，其他沒(méi)用的踢掉，在環(huán)路增益為1的情況下整個(gè)電路趨于穩(wěn)態(tài)平衡。

　　模電的知識(shí)告訴我們，在QCR // inverter的組合下，這個(gè)皮爾斯振蕩器已經(jīng)具備了一個(gè)理想的振蕩電路中的兩大網(wǎng)絡(luò)（選頻+放大）。貌似振蕩器中的R1和C1//C2沒(méi)有什么卵用啊。且慢，這個(gè)R1和C1//C2，正是這個(gè)電路中最美妙的地方。

　　總結(jié)并聯(lián)電阻的四大作用：

　　1、配合IC內(nèi)部電路組成負(fù)反饋、移相，使放大器工作在線性區(qū)；

　　2、限流防止諧振器被過(guò)驅(qū)；

　　3、并聯(lián)降低諧振阻抗，使諧振器易啟動(dòng)；

　　4、電阻取值影響波形的脈寬。