實(shí)例 單片機(jī)晶振電容取值固定的由來

相信很多剛剛接觸單片機(jī)的朋友都被前輩們前輩告誡過，對于單片機(jī)晶振電路電容，不是使用22pf，就是使用30pf。但為什么要這樣使用?其中的道理是什么?卻很少有人了解。本文就將通過實(shí)例的方式為大家分析單片機(jī)晶振電路中的取值作用。

本文的實(shí)例采用了一個(gè)ATMEGAL16單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)，焊接之后事實(shí)卻并不容易，即便使用萬用表也無法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，之后懷疑是不是單片機(jī)鎖死，在更換了幾塊單片機(jī)后情況也并未得到改善。經(jīng)過仔細(xì)排查才發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)0.1uf的電容焊在了晶振電路中，導(dǎo)致晶振不起振所以整個(gè)電路就表現(xiàn)異常，再換成22pf的電容便馬上正常。

所以究竟是什么原因造成了異常呢?

圖1

其實(shí)單片機(jī)和其他一些IC的振蕩電路的真名叫“三點(diǎn)式電容振蕩電路”，如圖1。

Y1是晶體，相當(dāng)于三點(diǎn)式里面的電感，C1和C2就是電容，5404非門和R1實(shí)現(xiàn)一個(gè)NPN的三極管，接下來分析一下這個(gè)電路。

5404必需要一個(gè)電阻，否則它會處于飽和截止區(qū)而不是放大區(qū)。R1相當(dāng)于三極管的偏置作用，讓5404處于放大區(qū)域，那么5404就是一個(gè)反相器，實(shí)現(xiàn)了NPN三極管的作用，NPN三極管在共發(fā)射極接法時(shí)也是一個(gè)反相器。

一個(gè)正弦振蕩電路要振蕩的條件是系統(tǒng)放大倍數(shù)大于1。這個(gè)容易實(shí)現(xiàn)，相位滿足360度，與晶振振蕩頻率相同的很小的振蕩就被放大了。接下來主要講解相位問題：

5404因?yàn)槭欠聪嗥?，也就是說實(shí)現(xiàn)了180°移相，那么就需要C1，C2和Y1實(shí)現(xiàn)180°移相就可以，恰好，當(dāng)C1，C2，Y1形成諧振時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)180移相，這個(gè)大家可以解方程等，把Y1當(dāng)作一個(gè)電感來做。也可以用電容電感的特性，比如電容電壓落后電流90°，電感電壓超前電流90°來進(jìn)行分析都是可以的。當(dāng)C1增大時(shí)，C2端的振幅增強(qiáng)，當(dāng)C2降低時(shí)，振幅也增強(qiáng)。

有些時(shí)候C1、C2不焊也能起振，這個(gè)不是說沒有C1、C2，而是因?yàn)樾酒_的分布電容引起的，因?yàn)楸緛鞢1、C2就不需要很大，所以這一點(diǎn)很重要。接下來分析這兩個(gè)電容對振蕩穩(wěn)定性的影響。

因?yàn)?404的電壓反饋是靠C2的，假設(shè)C2過大，反饋電壓過低。假設(shè)C2過小，反饋電壓過高，儲存能量過少容易受外界干擾，也會輻射影響外界。C1的作用對C2恰好相反。因?yàn)椴及宓臅r(shí)候，假設(shè)雙面板比較厚，那么分布電容的影響不是很大，假設(shè)在高密度多層板時(shí)，就需要考慮分布電容。

這里需要特別說明并需要引起大家注意的是，有些將來是要用于工控的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)建議不要用無源單片機(jī)晶振的方法來起振，而是直接接有源晶振。也是主要由于無源晶振需要起振的原因，而工控項(xiàng)目要求穩(wěn)定性要好，所以會直接用有源晶振。在有頻率越高的頻率的晶振，穩(wěn)定度不高，所以在速度要求不高的情況下會使用頻率較低的晶振。