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單片機里的時鐘源詳解說明

姚小熊27 ? 來源:電工學習網 ? 作者:電工學習網 ? 2021-04-03 17:32 ? 次閱讀

無論是單片機還是微處理器,它們的核心都是大規模的時序邏輯電路,而驅動時序邏輯電路的動力則是準確而穩定的時鐘源——不要小看定語“準確而穩定”哦,實際上人類的科技之所以能如此穩定、高速的發展,就是離不開準確而穩定的時鐘源。比如單片機所使用的晶體振蕩器,就是一種比較準確的時鐘源。

在晶體振蕩器之前,振蕩源一般是LC振蕩電路等電路,但它們會受到外界的影響(振動、溫度等),其誤差可能達到kHz級別。長時間的工作情況下其準確度也難以保證。無線電和數字電路的發展迫使一種準確且穩定的時鐘源誕生,于是就有了晶體振蕩器。

將石英晶體按照一定的方式切割,并向其施加電壓,它就會在外加電場的作用下開始振動,這種性質被稱作“壓電性”。這就使得石英晶體擁有了能夠與外界的振蕩諧振的能力。按照同樣的方式切割出來的晶體擁有著相同的振蕩頻率,這也就使得批量生產石英晶體成為了可能。

實用的石英晶體振蕩器的內部一般是這樣的:一片精密切割好的晶體放置在中間,被兩片化學處理過的金屬氧化物夾在中間,并用結實的金屬外殼包裝好。這也是為什么晶振的電路圖符號是一兩個電極夾著一個晶體。典型的石英晶體振蕩器的應用電路如下圖所示:

這種電路被稱作皮爾斯振蕩器,利用一個反相器來完成電路。下方的兩個電容一般取相同的電容值,它們的取值可以微弱的影響整個電路的振蕩頻率。它們的作用是與石英晶體構成帶通濾波器,在石英晶體的共振頻率上形成一個180度的相移。這個電路最常見于單片機的時鐘部分。

對于石英晶體來說,被切割的越細,其共振頻率越高——但也不是無極限的,切割的過細的話,石英晶體將很容易破碎。而這個極限頻率大概為20MHz。那那些20MHz以上的晶體是怎么制作的呢?

實際上,對于超過20MHz的晶體,它們所利用的是晶體振蕩頻率中的諧波。我們可以加強晶體的奇數倍諧波并利用它。比如我想要使用50MHz的晶體的話,我可以制造一塊10MHz的晶體,并使它的結構增強5倍諧波(50MHz)。對于這樣的晶體來說,如果需要純凈的50MHz的話,在使用時就需要使用外接的諧振電路選擇出這個50MHz的諧波。

對于時鐘源這種東西來說,我們永遠不會介意它的精度高,越高越好。但是即使是晶振這種有很長歷史的振蕩器,也足夠我們好好研究上一段時間了呢!
責任編輯:YYX

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