你知道单片机为什么需要晶振吗?

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demi 发布于:周五, 11/08/2019 - 15:08 ,关键词:

平时我们看到的单片机最小系统中一般都是有时钟电路,见得太多以至于习以为常,突然之间问起来为什么要有晶振呢?一般我们就答晶振就像人的心跳,哈哈,但是到底他是怎么工作的呢,本期我们一探究竟。

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一、晶振旁边的电容是什么用?可不可以不要?

如上图是51单片机晶振的典型应用电路,一般晶振旁边会带两个30pf或者20pf的电容,这个电容叫做负载电容,这个电容不加也是可以使用的。如果电路不加负载电容,则电路会工作在晶体谐振频率上。这里我们假设晶体的谐振频率为Fr,而加了电容的谐振频率为有载谐振频率我们设为FL,则晶体谐振频率Fr与晶体有载谐振频率FL的关系是:FL=Fr + Ts*CL,其中Ts为晶体的牵引量,单位为ppm/pF。CL为晶体的负载电容,即晶体旁边加的那个电容,单位为pF。所以说不加电容也是可以的,只是电路会工作在晶体谐振频率上即FL=Fr;

当晶体发生谐振后,会呈现为纯电阻,即谐振阻抗。在有载谐振中,谐振电阻一般会与负载电容呈反比例关系。也就是说负载电容越小,电路的谐振阻抗越高,就越不容易起振,输出波形幅度就越小。但是电路直接工作在晶体谐振频率的状态是非常理想化的,我们一般的电路都或多或少的有一些杂散电容,当电路振荡时,这些杂散电容便被视为晶体的负载电容进行工作。由于这些杂散电容一般都很小,且不稳定,这就造成晶体振荡频率不稳定,且谐振阻抗增高,不同的人设计的地电路走线不一样,杂散电容也不同。

  既然有杂散电容存在,那么上面的公式实际应该是:FL = Fr + Ts*(Cy+CL),其中Cy为杂散电容,那么根据不同的电容可以调整CL值,直到电路工作在你所要的频率上,比如51单片机的12MHz。一般时候这个负载电容CL值不要太小,上面说过电容太小,谐振阻抗会变高,不利于起振且输出幅度小。所以这个电容值一般选取在10至30pF之间,22或30pf也是一种经验数值,此时由于负载电容CL值远远大于杂散电容Cy值,因此对杂散电容的不稳定性可以忽略不计,那么加了负载电容的电路就会更稳定,频率更准确。

二、晶振的作用

通过上面的介绍我们了解了晶振的典型电路,而平时我们也有看到晶振和电容封装在一起的,也有的单片机不需要接外部晶振而是直接使用内部晶振,总之,无论我们看见看不见,单片机工作是需要晶振的,这是单片机能正常工作的必要条件之一。

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晶振,一般我们指的是石英晶体振荡器,是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来,可以生成频率和峰值稳定的正弦波,它是一种无源晶振。而单片机在运行的时候,需要一个脉冲信号,作为自己执行指令的触发信号,可以简单的想象为:单片机收到一个脉冲,就执行一次或多次指令,这也就是所谓的心跳。无论是简单的51单片机,还是手机里的ARM处理器都是需要晶振的,只是晶振的种类和频率不同。我们本期侧重点是51单片机晶振,别的都类似。 

 

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单片机工作时,是一条一条地从ROM中取指令,然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机外接了一个12MHz的晶振,那么它的时钟周期就是1/12us,它的一个机器周期是12×(1/12)us,也就是1us。

在51单片机的所有指令中,有一些完成比较快的指令,只要一个机器周期就行了,有一些完成得比较慢,得要2个机器周期,还有两条指令要4个机器周期才可以运行完毕。为了衡量指令执行时间的长短,又引入一个新的概念:指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。

例如,当需要计算DJNZ指令完成所需要的时间时,首先必须要知道晶振的频率,假如我们使用12兆赫兹晶振,那么一个机器周期就是1us,而DJNZ指令是双周期指令,所以执行一次就要2us。如果该指令需要执行500次,那就是1000us,也就是1ms。

机器周期不仅对于指令执行有着重要的意义,而且它也是单片机定时器和计数器的时间基准。比如我们常见的51单片机,通常晶振选择12兆赫兹,那么当定时器的数值加1时,实际经过的时间就是1us,这就是单片机的定时原理。

说白了,晶振就是给单片机提供工作信号脉冲,这个脉冲就是单片机的工作速度,比如12兆晶振,单片机工作速度就是每秒12兆。

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