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单片机晶振电路的原理和作用图解

2020-7-11 21:51| 编辑:电工学习网| 查看: 995| 评论: 0

   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。
   图1是典型的单片机外接晶振电路。

单片机晶振电路的原理和作用图解

   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。

单片机晶振电路的原理和作用图解

   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。

单片机晶振电路的原理和作用图解

   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。

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