单片机为何需要使用外部晶振？晶体振荡器工作原理及电路图分析

来源：英锐恩 2023-07-10 15:28:55

振荡器（俗称晶振）主要用于产生周期性振荡电子信号的一类电子电路或电子设备。振荡器产生的电子信号通常是正弦波或方波，其作用是将将直流信号转换为交流信号。比如，广播和电视发射机使用振荡器产生的信号进行广泛广播，电子蜂鸣声和视频游戏声都是由振荡器信号产生的。

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单片机为何需要使用外部晶振？

通常，我们知道，在单片机（MCU）中使用晶体振荡器来提供时钟信号。让我们考虑8051单片机，对于该单片机，必须有12MHz的外部晶体振荡器电路，即使8051单片机能够以40

MHz运行。8051需要一个机器周期12个时钟周期，这样才能在1MHz（考虑12MHz时钟）到3.33MHz（考虑最大40MHz时钟）下提供有效的周期速率。该晶体振荡器用于产生所有内部操作同步所需的时钟脉冲。

目前，有不同类型的振荡器电子电路，例如线性振荡器-Hartley振荡器，相移振荡器，阿姆斯特朗振荡器，Clapp振荡器，Colpitts振荡器等，张弛振荡器-Royer振荡器、环形振荡器、多谐振荡器以及压控振荡器（VCO）。

在本文中，英锐恩单片机开发工程师将详细讨论晶体振荡器，例如什么是晶体振荡器、晶体振荡器电路、工作原理以及在电子电路中使用晶体振荡器。

一、什么是晶体振荡器？

一种电子电路，通过利用压电材料制成的振动晶体的机械共振来产生精确频率的电信号。压电谐振器有不同类型，但通常在这些类型的振荡器中使用石英晶体。因此，这些振荡器电子电路被称为晶体振荡器。

二、晶体振荡器电路图

石英晶体振荡器电路图可以表示如下：

上图表示压电晶体谐振器的电子符号，该压电晶体谐振器由两个金属化电极和石英晶体组成。

上图显示了电子振荡器中石英晶体的等效电路图，该电路由电阻器，电感器和电容器组成，如图所示进行连接。

三、晶体振荡器工作原理

原子，分子，离子在三个空间维度上按顺序堆积，并具有重复的图案，形成可以称为晶体的固体。通过使用适当的电传感器，几乎可以用弹性材料制成的任何物体来制造晶体。由于每个物体都包含固有的振动共振频率，因此钢具有高声速，并且具有很高的弹性。

因此，在机械过滤器中经常使用钢代替石英。该谐振频率取决于不同的参数，例如大小，弹性，声速和晶体形状。通常，高频晶体的形状为简单的矩形板，而低频晶体的形状为音叉形状。

晶体振荡器电路基于逆压电效应的原理工作，即，通过在某些材料上施加电场而产生机械变形。因此，它利用了由压电材料制成的振动晶体的机械共振来产生特定频率的电信号。

这些石英振荡器非常稳定，具有良好的品质因数，体积小巧，非常经济。因此，石英晶体振荡器电路优于其他谐振器，例如LC电路，拨叉等。通常，微处理器和单片机使用8MHz晶体振荡器。

等效电路还表示晶体的晶体作用。电路中使用的基本组件，电感L1代表晶体质量，电容C1代表柔度，电阻R1代表晶体的内部结构摩擦，而C0代表由于晶体的机械成型而形成的电容。

石英晶体振荡器电路图包括串联谐振和并联谐振，即两个谐振频率。如果电容C1产生的电抗等于电感L1产生的电抗，则发生串联谐振。串联谐振频率和并联谐振频率分别由fs和fp表示，fs和fp的值可以使用下图中所示的以下公式确定。

因此，在这种情况下，阻抗近似等于电阻R1。如果串联谐振脚的电抗等于由于电容C0引起的电抗，则会发生并联谐振。因此，在这种情况下，外部电路如果由晶体提供了很高的阻抗。

上图显示了石英振荡器电路的阻抗和频率之间的关系图。通常，晶体振荡器的频率范围为32KHz至200MHz。

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