单片机常用电路1-晶振电路

在单片机的学习中，不光是单片机程序的编写，还有电路的设计。有些公司可能会把单片机开发分成两块：电路设计、程序设计。然后负责电路设计的人只负责电路设计，不用考虑单片机编程；程序设计的人只管单片机编程，不设计电路。

不过我个人认为，只搞电路设计的人可以不用关心单片机是怎么编程的，但是搞单片机程序设计的人，却必须要对电路很熟悉，你可以不用亲自设计电路，但是必须对单片机项目中各种电路的原理足够了解，这样才能确保设计出来的程序稳定、健壮。

举个例子来说吧，假如一个单片机系统中用到了EEPROM存储芯片，EEPROM芯片的SCL和SDA是开漏输出的，需要外接上拉电阻，假设电路板上的EEPROM芯片的SCL和SDA的上拉电阻忘记焊上或者坏掉了，这时候调试EEPROM是调不通的，如果这时候电路设计人员不在，而单片机程序设计人员又对EEPROM的原理不熟悉，就会陷入到麻烦中：因为对电路不熟悉，就会一遍一遍的查找程序的原因。可是程序明明没有问题啊，这个程序在别的项目中一直都是正常的，为什么在这个板子上就不行了呢？

还有一点，一般带有微控制器的电路板，电路功能是否正常，是需要编写一定的验证程序来测试电路板的性能的，单靠电路设计人员使用万用表、示波器等工具是无法验证电路的好坏的。

综上所述，单片机程序设计人员一定要对电路的原理熟悉，这样才能设计出正确的程序。

从本篇文章开始，我们就来简单学习一下单片机开发中常用的电路。

当然，由于本人水平有限，关于这些电路的讲解只限于简单原理的讲解。如果有错误，欢迎批评指正。

1. 单片机常用电路1-晶振电路

早期的单片机（比如经典的51单片机）系统，外接晶振是必须的（当然也可以外接时钟脉冲，但是很少用），因为单片机的运行必须依赖于稳定的时钟脉冲。但是随着技术的发展，现在很多单片机都已经集成了内部时钟，所以在一般的应用场合，可以不用外接晶振电路了。不过由于内部时钟容易受外界干扰，所以在要求严格的场合，晶振电路还是很有必要的。

晶振电路1

图1是典型的单片机外接晶振电路。

图1 单片机晶振电路

该电路不只是有一个晶振，还有两个电容，这两个电容有什么作用呢？

这两个电容一般称为“匹配电容”或者“负载电容”、“谐振电容”。晶振电路中加这两个电容是为了满足谐振条件。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。只有连接合适的电容才能满足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

负载电容的值由如下公式计算：

负载电容无法满足的话一般会使晶体频率产生偏差，严重的话晶体无法起振。电路设计中要尽量满足晶体的负载电容需求，从而使晶体工作在最佳状态。负载电容计算公式如下：

CL = C1*C2 / (C1+C2) + CS

CL为晶振的负载电容值，一般通过查询晶振的数据手册获得。CS为电路板的寄生电容，一般取 3~5pF，取C1 = C2，那么公式可以简化成如下：

CL = C1 / 2 + CS

一般情况下，增大负载电容的值会使振荡频率下降，减小负载电容的值，会使振荡频率上升。

晶振电路2

我们有时候还会看到如图2所示的晶振电路。

图2 不带并联电阻和带并联电阻的晶振电路

该电路中晶振上又并了一个电阻，这是为什么呢？

这个电阻实际上是反馈电阻，是为了方便晶振起振的。对于COMS而言，这个电阻的阻值可以是1M以上，对于TTL则是需要视情况而定。最好的办法是看看芯片的数据手册，确认芯片晶振电路内部是否有电阻，如果没有，电路设计时最好加上。

晶振电路3

图3是有源晶振电路。

图3 有源晶振电路

有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。有源晶振不需要CPU的内部振荡器，连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。

压控晶振输入电压和输出频率

压控晶振输入电压和输出频率的关系

VCXO压控振荡器的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压的大小有关。VCXO标称频率对应的调谐电压规定为VCC（电源电压）的一半。VCC为5V的VCXO，控制电压为2.5V时就产生中心频率。控制电压为（0.5～4.5）V的VCXO，其频率变化曲线的斜率为正。也就是说，当控制电压从2.5V上升为4.5V时，振荡器的频率将增大；当控制电压从2.5V降为0.5V时，振荡器的频率将减小。振荡器的频率随控制电压变化的特性，往往用调谐灵敏度这一物理量来描述。调谐灵敏度用单位10－6/V表示。如果VCXO的牵引度为±100&TImes;10－6，控制电压范围为（0.5～4.5）V，则其调谐灵敏度等于50&TImes;10－6/V。要求控制电压没有噪声或其它可能引起石英晶体振荡器频率和输出波形特性发生突变的瞬态过程，这一点很重要。为把噪声减至最小，经常采取的措施是在电路板上把模拟信号与数字信号分别接地。

压控晶振的参数及选型

1.频率大小： 频率越高一般价格越高。但频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般工程师会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。要看具体需求。比如基站中一般用10MHz的恒温晶振（OCXO），因其有很好的频率稳定性，属于高端晶振。至于范围，晶振的频率做的太高的话，就会失去意义，因为有其他更好的频率产品代替。

2.频率稳定度 ：关键参数。指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差，用ppm（百万分之一）表示。一般来说，稳定度越高或温度范围越宽，价格越高。对于频率稳定度要求±20ppm或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于介于±1至±20ppm的稳定度，应该考虑温补晶振TCXO。对于低于±1ppm的稳定度，应该考虑恒温晶振OCXO。

3.电源电压 ：常用的有1.8V、2.5V、3.3V、5V等，其中3.3V应用最广。

4.输出： 根据需要采用不同输出。（HCMOS，SINE，TTL，PECL，LVPECL，LVDS，HSCL，PLL等）每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定，根据客户需要我们可以帮助客户选型。

5.工作温度范围： 工业级标准规定的-40～+85℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-20℃～+70℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。对于某些特殊场合如航天军用等，对温度有更苛刻的要求。

6.相位噪声和抖动 ：相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式，是对短期稳定度的真实度量。振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。但相对的，拥有好的相位噪声和抖动的同时振荡器的设计复杂，体积大，频率低，造价高。实际上相位噪声和抖动是短期频率稳定度的度量，所以一般越高端的晶振，即频稳越好的晶振，这些指标也相应越好。

7.牵引范围（VCXO）： 是针对VCXO的参数。带有压控功能的晶振为（VCXO），即通过调节控制电压改变输出频率。牵引范围为变化频率（增大或减少）与中心频率的比值。此值一般用ppm表示。通常牵引范围大约为100-200ppm，取决于VCXO的结构和所选择的晶体。

8.封装： 与其它电子元件相似，石英振荡器亦采用愈来愈小型的封装。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以，小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。

9.老化率： 随着时间的推移，频率值随着变化的大小，有年老化和日老化两种指标。SJK的高精度恒温晶振（OCXO）可以达到10-8ppm/年。

相关问答

如何避免晶振激励电平过高或过低

[回答]那不是毛刺,而是“过冲”-1变1的过冲叫上过冲(overshoot)1变-1的过冲叫下过冲(undershoot),但有时候下过冲和上过冲都叫overshoot。消除办法:1、如...

如何避免晶振激励电平过高或过低

那不是毛刺,而是“过冲”-1变1的过冲叫上过冲(overshoot)1变-1的过冲叫下过冲(undershoot),但有时候下过冲和上过冲都叫overshoot。消除办法:1、如...

晶振输出电压?

晶振的输出电压是指晶振器(OSC)输出的电压信号。晶振器是一种能够产生特定频率稳定振荡信号的电子元件,广泛应用于各种电子设备中。晶振的输出电压一般是以电...

两脚晶振和四脚晶振在使用电路上有什么区别吗?

晶振在电路中就相当于人的一个心脏,晶振为电路提供了一个时钟信号。有源晶振比较贵,但是有源晶振自身就能震动。而无论是无源晶振,还是有源晶振,都有自身的...

晶振是如何起振的?

1.无源晶振是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来2.有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,...

STM32引脚输入电平的范围是多少呢?-ZOL问答

一般来说,STM32引脚输入电平为0或1,但有些引脚还支持其他电平值。对于数字输入引脚,其输入电平值通常是基于高低两位二进制数来确定的。例如,在STM32F407G-EV...

时钟信号的频率是什么?

时钟频率(又译:时钟频率速度,英语:clockrate),是指同步电路中时钟的基础频率,它以“若干次周期每秒”来度量,量度单位采用SI单位赫兹(Hz)单片机跑程...时钟...

STM32F103怎样用定时器来测出某个高电平的时间?

给你提供个思路,以12M晶振为例,如果高电平时间比较短(大概35ms以内)可以使用外部中断的下降沿中断,当外部中断发生时关闭定时器,记录定时器TH0TL0的值,记...

主板时钟晶振肿么判断好坏-ZOL问答

先测试时钟芯片供电是否正常晶振电压是否正常晶振本身是否损坏DS1302与微处...其中,Rf提供负反馈并且提供反向器高增益线性区间的中间电平偏置点。这个阻值...

无源晶振是怎么工作的?-懂得

无源晶振需要外围电路驱动其工作,产生时钟输出,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的。工作原理无源晶振(晶体谐振器)工作原理:在石英...