分析 XTAL1 和 XTAL2,及构成的时钟电路

电子说

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描述

51单片机的18,19脚XTAL1,XTAL2用来提供外部振荡源给片内的时钟电路。

XTAL1和XTAL2引脚,该单片机可以使用外部时钟也可以使用内部时钟。

当使用内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;

当使用外部时钟时,用于接外部时钟信号,NMOS接XTAL2,CMOS接XTAL1。

原理:

XTAL1和XTAL2分别是一个反相器的输入和输出。NMOS的反相器是所谓的E-D结构的电路(一个增强型MOS提供逻辑,一个耗尽型MOS提供上拉),在模拟应用的情形下,从XTAL1提供外部时钟是不好的(反馈网络产生不期望的副作用),而把XTAL1接地,直接从XTAL2驱动内部电路并不需要额外的驱动能力。

CMOS反相器接成振荡电路,可以使用大得多的反馈电阻,直接驱动XTAL1不会有问题,且不允许另外的驱动源连接到XTAL2,故从XTAL1提供外部时钟。

在电子学上,通常将含有晶体管元件的电路称作"有源电路"(如有源音箱,有源滤波器等),而仅由阻容元件组成的电路称作"无源电路"。晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振的英文名称不同,无缘晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无缘晶振是有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,所以“无源晶振”这个说法并不准确;有源晶振有4个引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,因此体积较大。

有源晶振

有源晶振

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DSP的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单(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。

有源晶振是用石英晶体组成的,石英晶片之所以能当为振荡器使用,是基于它的压电效应;在晶片的两个极上加一电场,会使晶体产生机械变形;在石英晶片上加上交变电压,晶体就会产生机械振动,同时机械变形振动又会产生交变电场,虽然这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振”。 

单片机的内部时钟与外部时钟

单片机有内部时钟方式和外部时钟方式两种:(1)单片机的XTAL1和XTAL2内部有一片内振荡器结构,但仍需要在XTAL1和XTAL2两端连接一个晶振和两个电容才能组成时钟电路,这种使用晶振配合产生信号的方法是内部时钟方式;(2)单片机还可以工作在外部时钟方式下,外部时钟方式较为简单,可直接向单片机XTAL1引脚输入时钟信号方波,而XTAL2管脚悬空。既然外部时钟方式相对内部较为方便,那为什么大多数单片机系统还是选择内部时钟方式呢?这是因为单片机的内部振荡器能与晶振、电容构成一个性能非常好的时钟信号源,而如果要产生这样的信号作为外部时钟信号输入到单片机中,则需要添加的器件远不止一个晶振和两个电容这么简单。时钟电路在单片机系统中很重要,它能控制着单片机工作的节奏,是必不可少的部分。

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