單片機為何需要使用外部晶振？晶體振蕩器工作原理及電路圖分析

振蕩器（俗稱晶振）主要用于產生周期性振蕩電子信號的一類電子電路或電子設備。振蕩器產生的電子信號通常是正弦波或方波，其作用是將將直流信號轉換為交流信號。比如，廣播和電視發射機使用振蕩器產生的信號進行廣泛廣播，電子蜂鳴聲和視頻游戲聲都是由振蕩器信號產生的。

單片機為何需要使用外部晶振？

通常，我們知道，在單片機（MCU）中使用晶體振蕩器來提供時鐘信號。讓我們考慮8051單片機，對于該單片機，必須有12MHz的外部晶體振蕩器電路，即使8051單片機能夠以40

MHz運行。8051需要一個機器周期12個時鐘周期，這樣才能在1MHz（考慮12MHz時鐘）到3.33MHz（考慮最大40MHz時鐘）下提供有效的周期速率。該晶體振蕩器用于產生所有內部操作同步所需的時鐘脈沖。

目前，有不同類型的振蕩器電子電路，例如線性振蕩器-Hartley振蕩器，相移振蕩器，阿姆斯特朗振蕩器，Clapp振蕩器，Colpitts振蕩器等，張弛振蕩器-Royer振蕩器、環形振蕩器、多諧振蕩器以及壓控振蕩器（VCO）。

在本文中，英銳恩單片機開發工程師將詳細討論晶體振蕩器，例如什么是晶體振蕩器、晶體振蕩器電路、工作原理以及在電子電路中使用晶體振蕩器。

一、什么是晶體振蕩器？

一種電子電路，通過利用壓電材料制成的振動晶體的機械共振來產生精確頻率的電信號。壓電諧振器有不同類型，但通常在這些類型的振蕩器中使用石英晶體。因此，這些振蕩器電子電路被稱為晶體振蕩器。

二、晶體振蕩器電路圖

石英晶體振蕩器電路圖可以表示如下：

上圖表示壓電晶體諧振器的電子符號，該壓電晶體諧振器由兩個金屬化電極和石英晶體組成。

上圖顯示了電子振蕩器中石英晶體的等效電路圖，該電路由電阻器，電感器和電容器組成，如圖所示進行連接。

三、晶體振蕩器工作原理

原子，分子，離子在三個空間維度上按順序堆積，并具有重復的圖案，形成可以稱為晶體的固體。通過使用適當的電傳感器，幾乎可以用彈性材料制成的任何物體來制造晶體。由于每個物體都包含固有的振動共振頻率，因此鋼具有高聲速，并且具有很高的彈性。

因此，在機械過濾器中經常使用鋼代替石英。該諧振頻率取決于不同的參數，例如大小，彈性，聲速和晶體形狀。通常，高頻晶體的形狀為簡單的矩形板，而低頻晶體的形狀為音叉形狀。

晶體振蕩器電路基于逆壓電效應的原理工作，即，通過在某些材料上施加電場而產生機械變形。因此，它利用了由壓電材料制成的振動晶體的機械共振來產生特定頻率的電信號。

這些石英振蕩器非常穩定，具有良好的品質因數，體積小巧，非常經濟。因此，石英晶體振蕩器電路優于其他諧振器，例如LC電路，撥叉等。通常，微處理器和單片機使用8MHz晶體振蕩器。

等效電路還表示晶體的晶體作用。電路中使用的基本組件，電感L1代表晶體質量，電容C1代表柔度，電阻R1代表晶體的內部結構摩擦，而C0代表由于晶體的機械成型而形成的電容。

石英晶體振蕩器電路圖包括串聯諧振和并聯諧振，即兩個諧振頻率。如果電容C1產生的電抗等于電感L1產生的電抗，則發生串聯諧振。串聯諧振頻率和并聯諧振頻率分別由fs和fp表示，fs和fp的值可以使用下圖中所示的以下公式確定。

因此，在這種情況下，阻抗近似等于電阻R1。如果串聯諧振腳的電抗等于由于電容C0引起的電抗，則會發生并聯諧振。因此，在這種情況下，外部電路如果由晶體提供了很高的阻抗。

上圖顯示了石英振蕩器電路的阻抗和頻率之間的關系圖。通常，晶體振蕩器的頻率范圍為32KHz至200MHz。