单片机晶振电容的作用是什么？

Ber_thaw99

相信很多刚刚接触单片机的朋友都被前辈们前辈告诫过，对于单片机晶振电路电容，不是使用22pf，就是使用30pf。但为什么要这样使用?其中的道理是什么?却很少有人了解。本文就将通过实例的方式为大家分析单片机晶振电路中的取值作用。
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" w5 p4 Q3 ?6 m6 ~2 m: A本文的实例采用了一个ATMEGAL16单片机的温度采集系统，焊接之后事实却并不容易，即便使用万用表也无法发现错误，之后怀疑是不是单片机锁死，在更换了几块单片机后情况也并未得到改善。经过仔细排查才发现有两个0.1uf的电容焊在了晶振电路中，导致晶振不起振所以整个电路就表现异常，再换成22pf的电容便马上正常。

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, N/ u$ N! e1 t/ x  ~6 k   所以究竟是什么原因造成了异常呢?

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图1

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其实单片机和其他一些IC的振荡电路的真名叫“三点式电容振荡电路”，如图1。
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Y1是晶体，相当于三点式里面的电感，C1和C2就是电容，5404非门和R1实现一个NPN的三极管，接下来分析一下这个电路。( B; ]/ s* a. F& Y3 Q$ I. p

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5404必需要一个电阻，否则它会处于饱和截止区而不是放大区。R1相当于三极管的偏置作用，让5404处于放大区域，那么5404就是一个反相器，实现了NPN三极管的作用，NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。* C* c) @2 l) s( U0 D
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一个正弦振荡电路要振荡的条件是系统放大倍数大于1。这个容易实现，相位满足360度，与晶振振荡频率相同的很小的振荡就被放大了。, @" M' B+ V, v
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   接下来主要讲解相位问题：  c2 a3 w1 Z8 @+ q
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7 c6 e/ p4 n  X7 z% @5404因为是反相器，也就是说实现了180°移相，那么就需要C1，C2和Y1实现180°移相就可以，恰好，当C1，C2，Y1形成谐振时，能够实现180移相，这个大家可以解方程等，把Y1当作一个电感来做。也可以用电容电感的特性，比如电容电压落后电流90°，电感电压超前电流90°来进行分析都是可以的。当C1增大时，C2端的振幅增强，当C2降低时，振幅也增强。8 T8 @7 y  o+ e2 W, U


: k, d: {: |: ?, @: \% B有些时候C1、C2不焊也能起振，这个不是说没有C1、C2，而是因为芯片引脚的分布电容引起的，因为本来C1、C2就不需要很大，所以这一点很重要。接下来分析这两个电容对振荡稳定性的影响。

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因为5404的电压反馈是靠C2的，假设C2过大，反馈电压过低。假设C2过小，反馈电压过高，储存能量过少容易受外界干扰，也会辐射影响外界。C1的作用对C2恰好相反。因为布板的时候，假设双面板比较厚，那么分布电容的影响不是很大，假设在高密度多层板时，就需要考虑分布电容。* C8 f; ^. N2 M% a- N5 {+ ?
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这里需要特别说明并需要引起大家注意的是，有些将来是要用于工控的设计，这些设计建议不要用无源单片机晶振的方法来起振，而是直接接有源晶振。也是主要由于无源晶振需要起振的原因，而工控项目要求稳定性要好，所以会直接用有源晶振。在有频率越高的频率的晶振，稳定度不高，所以在速度要求不高的情况下会使用频率较低的晶振。
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