XTAL晶振引脚分析

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。

晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电⽓上它可以等效成⼀个电容和⼀个电阻并联再串联⼀个电容的⼆端⽹络。电⼯学上这个⽹络有两个谐振点，以频率的⾼低分，其中较低的频率是串联谐振，较⾼的频率是并联谐振。由于晶体⾃⾝的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为⼀个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到⼀个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很⼤，这个振荡器的频率也不会有很⼤的变化。

晶振有⼀个重要的参数 —— 负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。⼀般的谐振振荡电路都是在⼀个反省放⼤器（注意是放⼤器不是反相器）的两端接⼊晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另⼀端再接到地，这两个电容串联的容量值就等于负载电容。请注意⼀般IC的引脚都有等效输⼊电容，这个不能忽略。⼀般的晶振的负载电容15pF或12.5pF，如果再考虑元件引脚的等效输⼊电容，则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是⽐较好的选择。

晶振与单⽚机的引脚XTAL1和XTAL2构成的振荡电路中会产⽣谐波（也就是不希望存在的其他频率的波）这个波对电路的影响不⼤，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见，ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接⼊两个10pF-50pF的瓷⽚电容接地来削减谐波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在10pF-50pF之间都可以的，没什么计算公式。晶振电路中如何选择电容C1、C2？

1）因为每⼀种晶振都有各⾃的特性，所以最好按控制⼚商所提供的数值选择外部元器件。2）在许可范围内，C1、C2值越低越好。C值偏⼤虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。3）应使C2值⼤于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。

在⽯英晶体谐振器和陶瓷谐振器的应⽤中，需要注意负载电容的选择。不同⼚家⽣产的⽯英晶体谐振器和陶瓷谐振器的特性和品质都存在较⼤差异，在选⽤，要了解该型号振荡器的关键指标，如等效电阻、⼚家建议负载电容、频率偏差等。在实际电路中，也可以通过⽰波器观察振荡波形来判断振荡器是否⼯作在最佳状态。⽰波器在观察振荡波形时，观察OSCO管脚（Oscillator Output），应选择100MHz带宽以上的⽰波器探头，这种探头的输⼊阻抗⾼，容抗⼩，对振荡波形相对影响⼩。（由于探头上⼀般存在10~20pF的电容，所以观测时，适当减⼩在OSCO管脚的电容可以获得更接近实际的振荡波形）。⼯作良好的振荡器波形应该是⼀个漂亮的正弦波，峰峰值应该⼤于电源电压70%。若峰峰值⼩于70%，可适当减⼩OSCI及OSCO管脚上的外接负载电容。反之，若峰峰值接近电源电压且振荡波形发⽣畸变，则可适当增加负载电容。

如何判断电路中晶振是否被过分驱动？

电阻RS常⽤来防⽌晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗晶振的接触电镀，这将引起频率的上升。可⽤⼀台⽰波器检测OSC输出脚，如果检测⼀⾮常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输⼊需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波⾕两端被削平，⽽使波形称为⽅形，则晶振被过分驱动。这时就需要⽤电阻RS来防⽌晶振被过分驱动。判断电阻RS值⼤⼩的最简单的⽅法就是串连⼀个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调⾼，⼀直到正弦波不再被削平为⽌。通过此⽅法就可以找到最近接的电阻RS值。

有⼈会经常问到，2脚晶振和4脚晶振在使⽤电路上有什么区别？以及2脚晶振和3脚晶振⼜有何区别？

⽯英晶振中常见的基本为2脚晶振，很少有3脚晶振的存在。⽽在陶瓷晶振中3脚晶振则是随处可见。3脚的晶振是⼀种集晶振和电容为⼀体的复合元件。由于在集成电路振荡端⼦外围电路中总是以⼀个晶振（或其他谐振元件）和两个电容组成回路，为便于简化电路及⼯艺，⼈们便研制⽣产了这种复合件。其3个引脚中，中间的1个脚通常是2个电容连接⼀起的公共端，另外2个引脚即为晶振两端，也是两个电容各⾃与晶振连接的两端。