單片機(jī)里的時(shí)鐘源詳解

無論是單片機(jī)還是微處理器，它們的核心都是大規(guī)模的時(shí)序邏輯電路，而驅(qū)動(dòng)時(shí)序邏輯電路的動(dòng)力則是準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時(shí)鐘源——不要小看定語“準(zhǔn)確而穩(wěn)定”哦，實(shí)際上人類的科技之所以能如此穩(wěn)定、高速的發(fā)展，就是離不開準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時(shí)鐘源。比如單片機(jī)所使用的晶體振蕩器，就是一種比較準(zhǔn)確的時(shí)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(huì)受到外界的影響（振動(dòng)、溫度等），其誤差可能達(dá)到kHz級(jí)別。長(zhǎng)時(shí)間的工作情況下其準(zhǔn)確度也難以保證。無線電和數(shù)字電路的發(fā)展迫使一種準(zhǔn)確且穩(wěn)定的時(shí)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(huì)在外加電場(chǎng)的作用下開始振動(dòng)，這種性質(zhì)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(chǎn)石英晶體成為了可能。

實(shí)用的石英晶體振蕩器的內(nèi)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(xué)處理過的金屬氧化物夾在中間，并用結(jié)實(shí)的金屬外殼包裝好。這也是為什么晶振的電路圖符號(hào)是一兩個(gè)電極夾著一個(gè)晶體。典型的石英晶體振蕩器的應(yīng)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(gè)反相器來完成電路。下方的兩個(gè)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(gè)電路的振蕩頻率。它們的作用是與石英晶體構(gòu)成帶通濾波器，在石英晶體的共振頻率上形成一個(gè)180度的相移。這個(gè)電路最常見于單片機(jī)的時(shí)鐘部分。

對(duì)于石英晶體來說，被切割的越細(xì)，其共振頻率越高——但也不是無極限的，切割的過細(xì)的話，石英晶體將很容易破碎。而這個(gè)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(shí)際上，對(duì)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(qiáng)晶體的奇數(shù)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(jié)構(gòu)增強(qiáng)5倍諧波（50MHz）。對(duì)于這樣的晶體來說，如果需要純凈的50MHz的話，在使用時(shí)就需要使用外接的諧振電路選擇出這個(gè)50MHz的諧波。

對(duì)于時(shí)鐘源這種東西來說，我們永遠(yuǎn)不會(huì)介意它的精度高，越高越好。但是即使是晶振這種有很長(zhǎng)歷史的振蕩器，也足夠我們好好研究上一段時(shí)間了呢！

編輯：admin  最后修改時(shí)間：2018-05-08