微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類(lèi)：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路;基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC (電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取?

  機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別

  基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對(duì)而言，RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱(chēng)輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。圖1所示的電路能產(chǎn)生可靠的時(shí)鐘信號(hào)，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩器電路布局的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對(duì)放大器的選擇并不敏感，但在過(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。

  振蕩器模塊

  上述大部分問(wèn)題都可以通過(guò)使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類(lèi)型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取?

  功耗

  選擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門(mén)電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。

  陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。

  相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。

  硅振蕩器的電源電流取決于其類(lèi)型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)只需不到2mA的電流。

  時(shí)鐘電路晶振與時(shí)鐘IC芯片

  主板時(shí)鐘芯片電路提供給CPU，主板芯片組和各級(jí)總線(CPU總線，AGP總線，PCI總線，PCIE總線等)和主板各個(gè)接口部分基本工作頻率，有了它，計(jì)算機(jī)才能在CPU控制下，按步就班，協(xié)調(diào)地完成各項(xiàng)功能工作：

  1.晶振的工作原理： 主板時(shí)鐘芯片即分頻器的原始工作振蕩頻率，由石英晶體多諧振蕩器的諧振頻率來(lái)產(chǎn)生，晶振其實(shí)是一個(gè)頻率產(chǎn)生器，他主要把傳進(jìn)去的電壓轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)。提供給分頻率一個(gè)基準(zhǔn)的14.318MHZ的振蕩頻率，它是一個(gè)多諧振蕩器的正回饋環(huán)電路，也就是說(shuō)它把輸入作為輸出，把輸出作為輸入的回饋頻率，象這樣一個(gè)永無(wú)休止的循環(huán)自激過(guò)程。

  ⒉在主板上常見(jiàn)的時(shí)鐘晶振：有14.318M(主時(shí)鐘)與32.768HZ(南橋 旁邊的時(shí)鐘)

  ⒊時(shí)鐘IC芯片簡(jiǎn)介：他主要起著放大頻率和縮小頻率的作用，他和晶振組合后才能在主板上起作用。我們把他稱(chēng)做為時(shí)鐘發(fā)生器(晶振+時(shí)鐘IC芯片)

  ⒋時(shí)鐘發(fā)生器的工作原理：時(shí)鐘我們可以把他定義為各個(gè)部件的總線頻率速度，他起著分配給各個(gè)部件的頻率使他們能夠正常工作。當(dāng)晶振通電后發(fā)出的頻率送入時(shí)鐘IC芯片，它的各腳會(huì)傳出相對(duì)應(yīng)的頻率通個(gè)時(shí)鐘IC芯片旁邊的電阻(時(shí)鐘IC芯片旁邊左右兩邊一排的小電阻基本為220=22歐，330=33歐).而內(nèi)存，與AGP這些高速的時(shí)鐘是由北橋內(nèi)部提供給它的，(注有些主板AGP時(shí)鐘不是由北橋提供的)將頻率信號(hào)分配到主板各個(gè)部件,如(PCI 33M，CPU 100M133M200M I/O 48M和14M，南橋33M &14M北橋100M7&133M&200M

  時(shí)鐘IC芯片

  上面講到了時(shí)鐘的產(chǎn)生，那他是如何工作的接下來(lái)我給大家講解一下時(shí)鐘IC芯片.時(shí)鐘IC芯片的工作條件：

  ①.供電→他的供電基本上都經(jīng)過(guò)個(gè)子較大的貼片電感進(jìn)入時(shí)鐘IC芯片(貼片電感時(shí)鐘IC芯片附近就可以找到 因?yàn)樗绕渌忠稽c(diǎn))。時(shí)鐘IC芯片早期的供電有2組到3組：2組供電為2.5V與3.3V 3組供電為2.5V與2.8V時(shí)鐘IC芯片后期的供電有1組到2組：1組為+3.3V 2組為3.3V與2.5V

  ②PG信號(hào)是在啟動(dòng)時(shí)輸出電壓都穩(wěn)定后再給電腦一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，讓電腦正式啟動(dòng)，而在意外斷電時(shí)也能及時(shí)地送出關(guān)機(jī)信號(hào)讓電腦馬上停止工作，對(duì)電腦的穩(wěn)定和外設(shè)起了很大的保護(hù)作用。PG信號(hào)基本是通過(guò)時(shí)鐘IC芯片旁邊的阻值較大的電阻(10K、4.7K電阻)進(jìn)入時(shí)鐘IC芯片內(nèi)部的(PG要高于1.5V)當(dāng)供電與PG都正常后時(shí)鐘IC芯片內(nèi)部才能正常工作，和晶體一起產(chǎn)生振蕩，在晶體的兩腳均可以看到波形。晶體的兩腳之間的阻值在450---700歐之間。在它的兩腳各有1V左右的電壓，由分頻器提供。他才能把14.318晶振送來(lái)的時(shí)鐘頻率放大或縮小后輸給主板的各個(gè)部件.

  時(shí)鐘電路構(gòu)架

  上面大家知道了它的各個(gè)主成部分后，再來(lái)看看它的整個(gè)構(gòu)架圖

  PLL是Phase-LockedLoop的縮寫(xiě)，中文含意為鎖相環(huán)。PLL基本上是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，它可以使PLL的輸出可以與一個(gè)參考信號(hào)保持固定的相位關(guān)系。PLL一般由鑒相器、電荷放大器(ChargePump)、低通濾波器、壓控振蕩器、以及某種形式的輸出轉(zhuǎn)換器組成。為了使得PLL的輸出頻率是參考時(shí)鐘的倍數(shù)關(guān)系，在PLL的反饋路徑或(和)參考信號(hào)路徑上還可以放置分頻器。PLL的功能示意圖如下圖所示：

  壓控振蕩器產(chǎn)生周期性的輸出信號(hào)，如果其輸出頻率低于參考信號(hào)的頻率，鑒相器通過(guò)電荷放大器改變控制電壓使壓控振蕩器就的輸出頻率提高。如果壓控振蕩器的輸出頻率高于參考信號(hào)的頻率，鑒相器通過(guò)電荷放大器改變控制電壓使壓控振蕩器就的輸出頻率降低。低通濾波器的作用是平滑電荷放大器的輸出，這樣在鑒相器進(jìn)行微小調(diào)整的時(shí)候，系統(tǒng)趨向一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

  負(fù)載電容及反饋電阻

  可能有些初學(xué)者會(huì)對(duì)晶振的頻率感到奇怪，12M、24M之類(lèi)的晶振較好理解，選用如11.0592MHZ的晶振給人一種奇怪的感覺(jué)，這個(gè)問(wèn)題解釋起來(lái)比較麻煩，如果初學(xué)者在練習(xí)串口編程的時(shí)候就會(huì)對(duì)此有所理解，這種晶振主要是可以方便和精確的設(shè)計(jì)串口或其它異步通訊時(shí)的波特率。

  問(wèn)： 我發(fā)現(xiàn)在使用晶振時(shí)會(huì)和它并一個(gè)電阻,一般1M以上,我把它去掉,板子仍可正常工作,請(qǐng)問(wèn)這個(gè)電阻有什么用?可以不用嗎? 我有看到過(guò)不用的!不理解~

  答：這個(gè)電阻是反饋電阻，是為了保證反相器輸入端的工作點(diǎn)電壓在VDD/2，這樣在振蕩信號(hào)反饋在輸入端時(shí)，能保證反相器工作在適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄^(qū)。雖然你去掉該電 阻時(shí)，振蕩電路仍工作了。但是如果從示波器看振蕩波形就會(huì)不一致了，而且可能會(huì)造成振蕩電路因工作點(diǎn)不合適而停振。所以千萬(wàn)不要省略此電阻。 這個(gè)電阻是為了使本來(lái)為邏輯反相器的器件工作在線性區(qū), 以獲得增益, 在飽和區(qū)是沒(méi)有增益的, 而沒(méi)有增益是無(wú)法振蕩的. 如果用芯片中的反相器來(lái)作振蕩, 必須外接這個(gè)電阻, 對(duì)于CMOS而言可以是1M以上, 對(duì)于TTL則比較復(fù)雜, 視不同類(lèi)型(S,LS...)而定. 如果是芯片指定的晶振引腳, 如在某些微處理器中, 常常可以不加, 因?yàn)樾酒瑑?nèi)部已經(jīng)制作了, 要仔細(xì)閱讀DATA SHEET的有關(guān)說(shuō)明.

  和晶振并聯(lián)的電阻作為負(fù)載，一般1M歐。也有和晶振串聯(lián)的電阻為諧振電阻。

  問(wèn)：晶振的參數(shù)里有配用的諧振電容值。比如說(shuō)32.768K的是12.5pF;4.096M的是20pF. 這個(gè)值和實(shí)際電路中晶振上接的兩個(gè)電容值是什么關(guān)系?像DS1302用的就是32.768K的晶振，它內(nèi)部的電容是6pF的

  答：你所說(shuō)的是晶振的負(fù)載電容值。指的是晶振交流電路中，參與振蕩的，與晶振串聯(lián)或并聯(lián)的電容值。晶振電路的頻率主要由晶振決定，但既然負(fù)載電容參與振蕩，必然會(huì)對(duì)頻率起微調(diào)作用的。負(fù)載電容越小，振蕩電路頻率就會(huì)越高4.096MHz的負(fù)載電容為20pF，說(shuō)明晶振本身的諧振頻率<4.096MHz，但如果讓20pF的電容參與振蕩，頻率就會(huì)升高為4.096MHz。或許有人會(huì)問(wèn)為什么這么麻煩，不如將晶振直接做成4.096MHz而不用負(fù)載電容?不是沒(méi)有這樣的晶振，但實(shí)際電路設(shè)計(jì)中有多種振蕩形式，為了振蕩反饋信號(hào)的相移等原因，也有為了頻率偏差便于調(diào)整等原因，大都電路中均有電容參與振蕩。為了 準(zhǔn)確掌握晶振電路中該用多大的電容，只要把握晶體負(fù)載電容應(yīng)等于振蕩回路中的電容+雜散電容就可以了。你所說(shuō)的IC中6pF的電容就可看作雜散電容

  石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本結(jié)構(gòu)大致是從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

  石英晶體的壓電效應(yīng)：若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。注意，這種效應(yīng)是可逆的。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

  晶振在電氣上可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏谶@個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。(相關(guān)閱讀可以查看YXC揚(yáng)興官網(wǎng)《晶振該如何選用電容》)

  晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。

  一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。

  一般的晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。

  晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類(lèi)型。無(wú)源晶振與有源晶振(諧振)的英文名稱(chēng)不同，無(wú)源晶振為crystal(晶體)，而有源晶振則叫做oscillator(振蕩器)。無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以“無(wú)源晶振”這個(gè)說(shuō)法并不準(zhǔn)確;有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。 

  石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來(lái)起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC共同作用來(lái)工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時(shí)一般需要提供3.3V電壓來(lái)維持工作。振蕩器比諧振器多了一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：諧振電阻(RR)，諧振器沒(méi)有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，因此這是各商家競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要參數(shù)。