细说单片机晶振电路22pf/30pf电容的作用

发布时间:2022-12-12  

前几天跟着老师去别的实验室听课,其实也就是听一听老师和师傅给别的实验室的同学讲嵌入式的种种,还有就是那天师傅单独和谈了挺长时间,我从心底感谢他们,他们让我懂得反思,调整,我对自己持有怎么的学习态度和应该如何付诸于行动有了新的理解,这远比单纯的交给我一些知识要好很多。


说起这个小知识点本人还有这么个经历呢,也顺便和大家一块儿分享一下吧。话说我曾经帮一女生做东西,其实超级简单就是个ATMEGAL16单片机的温度采集系统,我焊工虽然一般但给女生帮忙么,还是比较用心的应该没问题的,事实却不尽人意焊出来的最小系统竟然不好使。


我用万能表把电路查了几遍也没找出错误,然后就怀疑是不是单片机就锁死了,换了几块单片机也不好使,自己还一直认为我在同一届的同学中算还学得可以的,真是有点可笑。最后发现,在我原件短缺的情况下我糊里糊涂把两个0.1uf的电容焊在了晶振电路中,导致晶振不起振所以整个电路就表现为不好使,换成22pf的电容马上就好使了,当时其实应该马上弄明白,但我却没有予以理睬实属不应该。老师说得对我们确实缺少打破沙锅问到底的精神。



让我们一起来看看到底晶振电路中为什么用22pf或30pf的电容而不用别的了。 其实单片机和其他一些IC的振荡电路的真名叫“三点式电容振荡电路”,如下图 。



Y1是晶体,相当于三点式里面的电感,C1和C2就是电容,5404非门和R1实现一个NPN的三极管,接下来分析一下这个电路。

5404必需要一个电阻,不然它处于饱和截止区,而不是放大区,R1相当于三极管的偏置作用,让5404处于放大区域,那么5404就是一个反相器,这个就实现了NPN三极管的作用,NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。

大家知道一个正弦振荡电路要振荡的条件是,系统放大倍数大于1,这个容易实现,相位满足360度,与晶振振荡频率相同的很小的振荡就被放大了。


接下来主要讲解这个相位问题:

5404因为是反相器,也就是说实现了180°移相,那么就需要C1,C2和Y1实现180°移相就可以,恰好,当C1,C2,Y1形成谐振时,能够实现180移相,这个大家可以解方程等,把Y1当作一个电感来做。也可以用电容电感的特性,比如电容电压落后电流90°,电感电压超前电流90°来分析,都是可以的。


当C1增大时,C2端的振幅增强,当C2降低时,振幅也增强。有些时候C1,C2不焊也能起振,这个不是说没有C1,C2,而是因为芯片引脚的分布电容引起的,因为本来这个C1,C2就不需要很大,所以这一点很重要。接下来分析这两个电容对振荡稳定性的影响。


因为5404的电压反馈是靠C2的,假设C2过大,反馈电压过低,这个也是不稳定,假设C2过小,反馈电压过高,储存能量过少,容易受外界干扰,也会辐射影响外界。C1的作用对C2恰好相反。因为我们布板的时候,假设双面板,比较厚的,那么分布电容的影响不是很大,假设在高密度多层板时,就需要考虑分布电容。


有些用于工控的项目,建议不要用无源晶振的方法来起振,而是直接接有源晶振。也是主要由于无源晶振需要起振的原因,而工控项目要求稳定性要好,所以会直接用有源晶振。在有频率越高的频率的晶振,稳定度不高,所以在速度要求不高的情况下会使用频率较低的晶振。


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