正文

時(shí)鐘電路在單片機(jī)小系統(tǒng)中很常見，今天我們就探討下單片機(jī)外部石英晶體振蕩器電路的構(gòu)成、特點(diǎn)和器件參數(shù)，本文內(nèi)容選自龍順宇老師的新書《深入淺出STC8增強(qiáng)型51單片機(jī)進(jìn)階攻略》。

我記得小學(xué)的時(shí)候最喜歡做眼保健操，跟著旋律“1234，2234”，這旋律控制著我的每一個(gè)動(dòng)作，踩著節(jié)拍完成了整個(gè)過程。細(xì)細(xì)想來，單片機(jī)的工作也是一樣，在一定的“節(jié)拍”下鎖存和處理數(shù)據(jù)，產(chǎn)生不同的狀態(tài)和時(shí)序，完成不同的功能。如果沒有這個(gè)節(jié)拍，單片機(jī)就無法執(zhí)行程序和體現(xiàn)功能，這里的“節(jié)拍”就是時(shí)鐘信號(hào)，好比是單片機(jī)系統(tǒng)中的“心臟”。

在早期的51單片機(jī)產(chǎn)品中，時(shí)鐘信號(hào)一般是由外部振蕩電路產(chǎn)生，所以很多經(jīng)典的單片機(jī)原理類書籍也將時(shí)鐘電路當(dāng)作最小系統(tǒng)的必要組成之一，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品的EMI電磁干擾（Electro Magnetic Interference），很多單片機(jī)在晶圓設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)置了時(shí)鐘源，片內(nèi)RC時(shí)鐘源的頻率還支持多種選擇，這樣一來開發(fā)人員就可以省去外部時(shí)鐘電路，單片機(jī)的時(shí)鐘輸入/輸出的引腳也可以節(jié)省出來當(dāng)普通I/O引腳使用。

但是話又說回來，片上時(shí)鐘源和外部時(shí)鐘源還是有區(qū)別的，一般來說片上時(shí)鐘源的啟動(dòng)速度快，功耗適中，但是容易受到溫度的影響產(chǎn)生頻率偏差，若頻率偏差嚴(yán)重就會(huì)影響程序運(yùn)行（特別是通信類程序）。還有就是片上時(shí)鐘的一致性難以保證，根據(jù)批次不一樣或者制造上的差異性會(huì)導(dǎo)致芯片時(shí)鐘頻率不盡相同，但是對(duì)于要求不高的場(chǎng)合，使用內(nèi)部時(shí)鐘源倒也無妨。外部時(shí)鐘源的啟動(dòng)需要一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間，功耗也相對(duì)大一些，但是產(chǎn)生的時(shí)鐘精度較高，不管是用無源石英晶體還是有源晶振，其信號(hào)的穩(wěn)定度都較好，在持續(xù)性的通信應(yīng)用上還是推薦外部時(shí)鐘源作為單片機(jī)工作時(shí)鐘。

有的朋友可能會(huì)有疑惑，為什么小宇老師剛剛說到“無源石英晶體”而不是“無源晶振”呢？我們平時(shí)將無源石英晶體說成“晶振”其實(shí)并不準(zhǔn)確，無源晶體其實(shí)就是在石英晶片上電鍍引出了電極，一般是兩個(gè)腳，不用區(qū)分正反，在晶體結(jié)構(gòu)外面裝上了金屬外殼，然后再在外殼上激光打字。無源晶體要想起振，一般還需要輔助外圍電路才行。真正意義上的“晶振”是在晶體的基礎(chǔ)之上額外添加了振蕩、放大和整形電路后所形成的單元，常見的是4個(gè)腳，需要為其供電，然后從一個(gè)腳輸出穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘信號(hào)，這種就是我們說的有源晶振。

說了這么多，我們也不知道用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的“心臟”長(zhǎng)什么樣子，接下來我們回到《電子工藝》課程，看看如圖1所示的幾個(gè)常用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件實(shí)物。

圖1 常見時(shí)鐘產(chǎn)生類元器件實(shí)物圖

先來認(rèn)識(shí)第一行的器件，從左至右首先是直插式圓柱狀無源晶體，常見大小有2*6mm和3*8mm，常用于體積受限的場(chǎng)合，如U盤；接著是直插式HC-49S無源晶體，這種晶體外形最為常見；然后是直插式HC-49U無源晶體；最后是貼片式HC-49S無源晶體。第二行從左至右首先是貼片式晶振，單從樣式上看是無法區(qū)分有源和無源的，用戶需查閱產(chǎn)品手冊(cè)后加以區(qū)分，這種貼片式晶振常見2腳和4腳的，常用的器件體積有3225、3215、5032等；接著是MC-306封裝的晶振，常用的還有長(zhǎng)條形的MC-146；然后是溫補(bǔ)晶振TCXO，其體積稍大，內(nèi)部設(shè)計(jì)有溫度補(bǔ)償電路和微調(diào)窗口，因其溫度特性好、頻率偏差小，價(jià)格也稍微貴一些，類似的還有恒溫晶振OCXO，價(jià)格就比TCXO還要貴一些；最后是SiTime公司推出的可編程晶振，該器件有別于傳統(tǒng)器件，用戶可以通過編程修改振蕩頻率，支持1MHz到725MHz范圍內(nèi)的頻率調(diào)整，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)非常適用。

說到這兒，我就忍不住要問：石英晶體內(nèi)部長(zhǎng)什么樣子呢？要解決這個(gè)問題很簡(jiǎn)單，我們干脆動(dòng)手拆解一個(gè)直插式HC-49U無源晶體吧！朋友們是不是感覺有點(diǎn)“殘忍”啊？那我們就選一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里放了N多年且引腳發(fā)生嚴(yán)重氧化的晶體來做實(shí)驗(yàn)，拆解的過程如圖2所示，首先打開晶體的金屬外殼后發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部有一層網(wǎng)狀隔片，目的是為了讓晶體與外部金屬殼絕緣和防震，拆除這層隔片后就看到核心石英晶體和電極了，用手輕輕一掰，“咔”的一聲就碎了，真是“嘎嘣脆，雞肉味兒”。通過這個(gè)破壞性實(shí)驗(yàn)我們學(xué)到了什么呢？那就是晶體元器件在保存和使用時(shí)要避免磕碰，以免損壞內(nèi)部石英晶體，焊接的時(shí)候也不要持續(xù)高溫，以免晶體引腳升溫太快引起內(nèi)部電極與石英晶體片之間的碎裂，所以說石英晶體這種器件是外表看著“皮實(shí)”，但“內(nèi)心”脆弱的器件。

圖2 HC-49U無源晶體拆解過程

拆解完了晶體，心里就非常痛快了，接下來我們?cè)倏纯凑袷庪娐返南嚓P(guān)知識(shí)。單一的石英晶體無法產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，必須輔助相關(guān)電路，常見的晶體振蕩電路可以用皮爾斯振蕩電路、考畢茲振蕩電路和克拉普振蕩電路。而用在單片機(jī)的電路幾乎都是皮爾斯振蕩器（Pierce Oscillator）結(jié)構(gòu)。哦！這個(gè)人我知道，就是那個(gè)打NBA的保羅·皮爾斯對(duì)吧？錯(cuò)！這里的“皮爾斯”是喬治·皮爾斯。他發(fā)明了一種電子振蕩電路，特別適用于配合石英晶體振蕩以產(chǎn)生振蕩信號(hào)。皮爾斯振蕩器衍生自考畢茲振蕩器，其電路構(gòu)成十分簡(jiǎn)單，我們自己也可以動(dòng)手搭建，其電路原理如圖3（a）所示，用示波器測(cè)量“OUT”電氣網(wǎng)絡(luò)的輸出波形如圖3（b）所示。

圖3 皮爾斯振蕩器電路原理及輸出波形圖

分析該電路，電路采用單極性5V供電，U1所選型號(hào)為CD4069，該芯片是一款CMOS電平輸入/輸出的高速反相器（內(nèi)含6個(gè)反相器單元），反相器在電路中等效于一個(gè)較大增益的放大器單元，在整個(gè)電路中只用了CD4069中的2個(gè)反相器單元，也就是1A、1Y、2A、和2Y這4個(gè)功能引腳，其它的功能引腳都做了接地處理。

Y1就是無源的石英晶體，這里選擇的是標(biāo)稱振蕩頻率為16MHz的HC-49S晶體。R1是反饋電阻，通常取值都在兆歐級(jí)別，有了這個(gè)電阻就可以使反相器在晶振振蕩初始時(shí)處于線性工作區(qū)，可以幫助晶體起振。R2可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電位，以防止晶振被過分驅(qū)動(dòng)而加速老化和造成晶體損壞。這兩個(gè)電阻的取值非常關(guān)鍵，一旦取值不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生高次諧波（一般是3次諧波，即Y1為xMHz時(shí)輸出信號(hào)為3xMHz），建議朋友們?cè)诖罱娐窌r(shí)合理考慮。

C1、C2為負(fù)載電容，它們可以幫助起振，一般選用20至30pF且頻率特性較好的電容（如瓷片電容、獨(dú)石電容或CBB電容），其取值大小對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用（所以晶體的實(shí)際起振頻率一般都不是絕對(duì)準(zhǔn)確的標(biāo)稱頻率），負(fù)載電容的取值受兩個(gè)方面影響，一是晶體器件實(shí)際的電容參數(shù)，二是受PCB布線、焊盤和板層厚度等參數(shù)間接引入的寄生電容或雜散電容影響。所以朋友們?cè)谶M(jìn)行實(shí)際電容選取時(shí)不一定要與晶體器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的負(fù)載電容參數(shù)完全等值，可以按照實(shí)際參數(shù)去做調(diào)整（順便一說，有的單片機(jī)芯片時(shí)鐘引腳單元內(nèi)部甚至自帶了不同檔位的負(fù)載電容，比如TI公司生產(chǎn)的MSP430x2xxx系列單片機(jī)，該系列產(chǎn)品內(nèi)部就支持1pF、6pF、10pF和12.5pF的四檔負(fù)載電容可選，這種單片機(jī)時(shí)鐘引腳上只接個(gè)晶體就行，無需外圍輔助電路也能正常工作）。

經(jīng)過電路搭建，CD4069芯片的第4腳輸出的“OUT”就是時(shí)鐘信號(hào)，原則上一個(gè)石英晶體振蕩出的波形可以同時(shí)供給很多芯片使用，不一定是一個(gè)單片機(jī)就需要一個(gè)晶振，當(dāng)然了，也要考慮輸出信號(hào)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，還得考慮PCB上時(shí)鐘走線帶來的干擾。

學(xué)完皮爾斯振蕩器的簡(jiǎn)單電路后，有的朋友又會(huì)產(chǎn)生更大的疑惑，大家會(huì)想STC單片機(jī)的時(shí)鐘電路根本不用CD4069啊？哪兒來的什么R1和R2啊？我一般都是接個(gè)晶體和兩個(gè)負(fù)載電容就行了啊？確實(shí)如此，一般來說XTAL1和XTAL2是STC系列單片機(jī)的振蕩信號(hào)接入引腳（也可以僅由XTAL2單端接入時(shí)鐘信號(hào)）。其模型仍然是皮爾斯振蕩器，只不過將振蕩所需的反相器和相關(guān)電阻內(nèi)置到了單片機(jī)內(nèi)部罷了，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單片機(jī)時(shí)鐘單元內(nèi)/外結(jié)構(gòu)

皮爾斯振蕩器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常適用于各種數(shù)字IC的設(shè)計(jì)制造。很多IC在設(shè)計(jì)的時(shí)候就內(nèi)建了高速反相器與電阻，只要在外部加上石英晶體與負(fù)載電容就可以工作。由于石英晶體頻率穩(wěn)定，故而電路成本較低，因此廣泛用于各種消費(fèi)電子產(chǎn)品之中。

電路講完了我們就來看看“時(shí)鐘信號(hào)”到底有什么作用？之前我們說了單片機(jī)是工作在一定“節(jié)拍”下的，最快最直接的“節(jié)拍”就是由外部晶體振蕩電路或者內(nèi)部RC振蕩器提供的時(shí)鐘源頻率，這個(gè)時(shí)鐘我們稱之為“振蕩周期”，在此基礎(chǔ)之上還有狀態(tài)周期、機(jī)器周期（CPU周期）和指令周期，所以“振蕩周期”越小，則完成一條指令所需的時(shí)間就越短，簡(jiǎn)單來說就是給的“節(jié)拍”越快，單片機(jī)工作的處理速度就越高。但是時(shí)鐘頻率也要有個(gè)“度”，受限于單片機(jī)內(nèi)部電路的電氣指標(biāo)和門電路的動(dòng)態(tài)特性，單片機(jī)時(shí)鐘頻率一般都有個(gè)范圍，例如STC8H系列單片機(jī)可以支持4MHz至45MHz工作頻率。

必須說明的是晶體的標(biāo)稱頻率不能隨意選擇，有些應(yīng)用中對(duì)振蕩頻率是有要求的。舉個(gè)例子吧！有個(gè)朋友做51單片機(jī)串口通信程序的時(shí)候用的是外部石英晶體振蕩電路，石英晶體選擇的是12MHz，波特率是9600bps，上電后單片機(jī)可以正常工作，串口助手也能連續(xù)收到單片機(jī)的字符數(shù)據(jù)，但是奇怪的是接收數(shù)據(jù)開始的時(shí)候是正常的，慢慢的就開始亂碼，到后面居然不能正常接收了，他趕緊問小宇老師，這是為啥呢？我讓他微調(diào)了程序并把晶振換成11.0592MHz后通信正常了！咦~這是為啥？按理說12MHz晶體產(chǎn)生的振蕩周期是1us，而11.0592MHz晶體產(chǎn)生的振蕩周期是1.085us，這兩個(gè)周期相差根本就不大，并不會(huì)過多影響單片機(jī)的執(zhí)行速度，他們的主要差異是用在串口通信時(shí)，12MHz作為數(shù)值帶入波特率計(jì)算后得到的偏差較大，在持續(xù)性通信過程中容易造成時(shí)鐘的“累積誤差”，每次都“慢半拍”持續(xù)下去的話就不止“半拍”了。

所以在特殊的應(yīng)用中產(chǎn)生了看似奇怪的石英晶體標(biāo)稱頻率，相似的還有用在DTMF（雙音多頻）編/解碼上的3.579545MHz，又有用在RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）上的32.768kHz，還有用在HF頻段RFID（射頻識(shí)別）上的13.56MHz等等，這些頻率值看似“怪異”實(shí)則有特殊的適用。所以啊，選擇合適的晶體或者晶振非常重要，選型的時(shí)候一定要考慮好封裝尺寸、負(fù)載電容、標(biāo)稱頻率、溫度范圍、頻率偏移、頻率老化時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)。

審核編輯 ：李倩