【導(dǎo)讀】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。
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,在它的兩個對應(yīng)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(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電極上加一電場,晶片就會產(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,晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動,同時晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。
在一般情況下,晶片機(jī)械振動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,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晶體兩邊各接一對地電容的原因。
當(dāng)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(guān),一般約幾個皮法到幾十皮法。當(dāng)晶體振蕩時,機(jī)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(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。
計算機(jī)都有個計時電路,盡管一般使用“時鐘”這個詞來表示這些設(shè)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(dāng)一點。
計算機(jī)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(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。有兩個寄存器與每個石英晶體相關(guān)聯(lián),一個計數(shù)器和一個保持寄存器。
石英晶體的每次振蕩使計數(shù)器減1。當(dāng)計數(shù)器減為0時,產(chǎn)生一個中斷,計數(shù)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(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(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò),電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點,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頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?,在這個極窄的頻率范圍內(nèi),晶振等效為一個電感,所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。
這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(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(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(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)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(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22皮的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。
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