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。
. ~, l) x1 B, X$ {3 Q
/ n4 b5 [' l9 b$ Q5 j9 j1 i+ `# u9 c. w8 G
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。
0 d. ]$ u  }- S3 O
' N+ A7 J% ]: n1 x. v: b# D, g  M7 e1 ]' |
   所以究竟是什么原因造成了异常呢?

' ^4 i; E4 z0 \

图1

7 k/ s. G. R5 M9 Z8 C9 @

' i' C0 v" y* ]7 P# h9 Z* w& C7 k8 S0 I8 A- u) Y% u  w( w- u. r
( x: G. |1 G+ Q  Z* [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。

4 l! p4 a! u" R. x  Y! M! U- r$ f" p
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
. _  t5 U/ y8 Q

0 U; F6 L! z  q: f0 ~# K( E! s+ e5404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
7 j2 r* X. W  r
( h( A+ V% f6 E2 v( V7 D6 A) O  e% ?% G# k9 n( n4 v% m
% S1 f* `) ?' l9 ~4 {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
( v' h6 C/ Y: F) H# q( n" V
5 D' b( m6 N# @& ?& G$ s. q2 K0 Q# V' Q8 C
3 q  H3 R1 d$ p& [0 r   接下来主要讲解相位问题：  c2 a3 w1 Z8 @+ q
# o+ s8 d1 Z$ N5 E* b
6 T, a0 ^( L# h3 p  L' C) P/ J: ]* X+ ], |. }* S! x
, B( o4 ^$ J0 ^1 T5404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
0 r' J# }: H/ V2 r- G3 R) M

2 l2 h% ?" m" b* \6 C7 l+ i$ V) o( w: o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。


. G$ B" u+ V: f/ d$ ]; L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 {+ ?
- c) ?8 f) n: @  e
& V$ _: y- A3 s% H7 u
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。
: _* X% x# A2 l4 N