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單片機(jī)中晶振的工作原理是什么?

發(fā)布日期:2021-12-15 點(diǎn)擊次數(shù):1004
晶振就是用石英材料做成的石英晶體諧振器,俗稱晶振。起產(chǎn)生頻率的作用,具有穩(wěn)定,抗干擾性能良好的特性, 廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。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?一起和晶友嘉的小編來看看吧。
一、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)是一種橢圓物體。
二、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(dòng),同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會產(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)。
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。
 
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