由单片机XTALIN引脚和XTALOUT引脚导出的对晶体震荡电路的深入理解晶体振荡器设计原理1.2、振荡产生的原理1.2.2、产生振荡的条件 1.3、起振和振幅 1.3.1、起振过程1.3.2、振幅的稳定

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我是靠谱客的博主结实鞋垫，最近开发中收集的这篇文章主要介绍由单片机XTALIN引脚和XTALOUT引脚导出的对晶体震荡电路的深入理解晶体振荡器设计原理1.2、振荡产生的原理1.2.2、产生振荡的条件 1.3、起振和振幅 1.3.1、起振过程1.3.2、振幅的稳定，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

在单片机使用过程中第一步就是选择单片机的时钟源，常常可以看到如下的电路原理图：

此原理图中使用晶振连接到XTALIN引脚和XTALOUT引脚，给单片机提供时钟频率，下面就来详细分析一下这种电路的工作原理。

单片机的时钟来源一般有以下几种：

1、通过单片机的CLKIN引脚由外部时钟源直接给单片机输入一个方波时钟。

2、像上图所示那样由外部晶振连接单片机的XTALIN引脚和XTALOUT引脚，跟单片机内部的震荡电路一起组成一个时钟源，通常这种时钟源叫做crystal oscillator (SysOsc)，这种时钟源的精度可以到达很高一般用ppm来表示外部晶振的误差。这种振荡器由外部晶振决定频率，振荡器的最大特点就是频率稳定度高。凡是频率的精度和稳定度要求较高的系统都采用石英晶体振荡器，如电子表、计算机的主时钟、高精密度的信号产生器、所有通信系统的主振荡源等

3、internal RC Oscillator (IRC)内部时钟源，通常是一个固定的频率，比如12M，这种时钟的精度可以达到±1.5%。当通信速率比较高的时候，比如串口用115200的波特率进行通信，这时候如果IRC时钟通信就会出现误码；当把通信速率降低，比如2400波特率的时候就能通信正常，所以在高速通信的时候还是需要用到上面第2种时钟源。

4、单片机的专用时钟源，比如dedicated Watchdog Oscillator (WDOsc)专用于看门狗电路的时钟，用于单片机唤醒的定时器的时钟（internal low-power, low-frequency Oscillato），这种时钟源的精度不高，通常只有±40%的精度。

下图是一个单片机NXP824的时钟资源：

将内部IRC时钟通过切换矩阵SWM 切换到输出pin脚CLKOUT，通过示波器可以看到如下的波形，显示IRC时钟位12M。

void CLKOutInit (void)
{
LPC_SWM->PINASSIGN[11] = (LPC_SWM->PINASSIGN[11] & (~(0xFF << 16))) |
(CLKOUT << 16); /* 分配CLKOUT到管脚P0_7 */

/*
* CLKOUTSEL配置
* >bit[1:0] 0x0 IRC oscillator 0x1 Crystal oscillator(SYSOSC)
* 0x2 WDT oscillator 0x3 Main Clock
* >bit[31:2] Reserved
*/
LPC_SYSCON->CLKOUTSEL = 3; /* CLKOUT源选择：MAINCLK */
LPC_SYSCON->CLKOUTUEN = 1; /* 更新CLKOUT时钟源 */
while (!(LPC_SYSCON->CLKOUTUEN & 0x01));
LPC_SYSCON->CLKOUTDIV = 24; /* CLKOUT输出分配系数：24 */
}

由上可知，单片机的时钟源都是由震荡器产生的，下面从网络上收集并整理的资料，主要是加深对震荡电路的理解。

一般晶振分为两种：有源晶振、无源晶振。有源晶振也叫晶体振荡器，Oscillator；无源晶振有时也叫无源晶体，Crystal，晶体谐振器。至于哪个名字更专业、更准确，我觉得无需争论，名字只是代号而已，大家工作中沟通能知道说的是什么就行。简单来说，有源晶振自己供上电就能输出振荡信号；无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。无源晶振=晶体=谐振器=crystal，有源晶振=晶振=振荡器=oscillator。

以上分类是从使用角度来说的，如果我们单看晶振的内部构造，就会发现有源晶振内部是包含了一个无源晶振，然后再将阻容、放大等电路也包含进去，整体封装好再给我们用。有源晶振内部构造包含了无源晶振，所以一般来说，有源晶振比无源晶振要贵。另一方面，我们只要了解了无源晶振的特性，有源晶振也就差不多了。毕竟，有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路，供上电就能输出振荡信号了。所以，下面我们就只看无源晶振（晶体谐振器）。如上图所示LFXIN和LFXOUT内部电路有一个反向器，在上电的瞬间就在外部晶振上施加反向电压，反向电压就会使晶体产生逆压电效应，晶振就可以起振了。

首先，晶体谐振器里面的晶体指的是石英晶体，化学式是二氧化硅SiO2。石英的特点是：热膨胀系数小、Q值高、绝缘等。石英可以做成晶体谐振器，主要是利用了压电效应。压电效应又分为正压电效应和逆压电效应，以下是百度百科对其的定义:

意思对应下图：

晶体的构造示意图如下：

上图左边是晶体构造的示意图，右边是我们常见的晶振的符号，二者是不是很像？根据对前面压电效应的理解，晶体可以将电能转化为机械能，然后机械能又能转化为电能。如果给晶体通上交流电，那不就是一会儿收缩，一会儿膨胀，这不就是机械振动吗？我们知道，机械振动的物理尺寸和结构固定之后，它本身一般就有一个固有的振动频率。当外加信号的频率与固有振动频率相等时，就会发生共振，产生谐振现象。显然，晶振的频率，应该说的就是这个固有振荡频率。再从无源晶体也叫“晶体谐振器”，此处的“谐振”应该就是这个意思吧。除此之外，既然工作原理是机械振动，那么性能自然跟晶体的尺寸和结构有着非常大的关系。这方面我也查了一下，确实如此。

晶振频率与切片厚度，切割工艺的关系:切割工艺，就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类，因为石英是各向异性的，所以不同的切型其物理性质不同。切面的方向与主轴的夹角对其性能有着非常重要的影响，比如频率稳定性、Q值、温度性能等。