市场上纯硬件产品很少，大部分都有单片机，如智能路灯、智能门禁、智能家居等。为了提高竞争力，学习单片机相关知识至关重要。
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时钟电路在小型单片机系统中非常常见。今天，我们将讨论单片机外石英晶体振荡器电路的组成、特点和设备参数。本文选自龙顺宇先生的新书《》。
记得小学的时候最喜欢做眼保健操，跟着旋律1234，2234，控制着我的每一个动作，踩着节拍完成了整个过程。仔细想想，单片机的工作是一样的，在一定的节拍下锁定和处理数据，产生不同的状态和顺序，完成不同的功能。如果没有这个节拍，单片机就无法执行程序和反映功能。这里的节拍是时钟信号，就像单片机系统中的心脏。
在早期的51单片机产品中，时钟信号通常由外部振荡电路产生，因此许多经典的单片机原理书籍也将时钟电路作为最小系统的必要组成部分之一。随着单片机技术的不断发展，为了进一步减少产品EMI电磁干扰（Electro Magnetic Interference），许多单片机在晶圆设计中内置时钟源，片内RC时钟源的频率也支持多种选择，因此开发人员可以节省外部时钟电路，也可以节省单片机时钟输入/输出的引脚I/O引脚使用。
但话说回来，电影中的时钟源和外部时钟源还是有区别的。一般来说，电影中的时钟源启动速度快，功耗适中，但容易受温度影响，产生频率偏差。如果频率偏差严重，会影响程序运行(尤其是通信程序)。此外，很难保证片上时钟的一致性。根据批次或制造的不同，芯片时钟的频率会有所不同，但对于要求较低的场合，使用内部时钟源是可以的。外部时钟源的启动需要一个稳定的时间，功耗相对较大，但时钟精度较高，无论是无源石英晶体还是有源晶体振动，其信号稳定性较好，建议外部时钟源作为单片机工作时钟。
有些朋友可能会想，为什么小宇老师刚才说无源石英晶体而不是无源晶体振动？我们通常把无源石英晶体说成晶体振动是不准确的。无源晶体实际上是在石英晶片上电镀，导致电极。一般来说，它是两只脚，不需要区分正反。金属外壳安装在晶体结构外，然后激光打字。如果无源晶体想到振动，通常需要辅助外围电路。真正的晶体振动是在晶体的基础上增加振荡、放大和塑料电路后形成的单元。常见的是四只脚，需要供电，然后从一只脚输出稳定可靠的时钟信号，这就是我们所说的有源晶体振动。
说了这么多，我们不知道用来产生时钟信号的心脏是什么样子的。接下来，我们回到电子技术课程，看看几个常用于产生时钟信号的设备。
图1 常见时钟生成类元器件实物图
让我们先了解第一行设备。从左到右，首先是直插式圆柱形无源晶体。常见尺寸为2*6mm和3*8mm，常用于体积有限的场合，如U盘；然后是直插式HC-49S无源晶体是最常见的晶体形状；然后是直插式HC-49U无源晶体；最后是贴片式HC-49S无源晶体。第二行从左到右首先是贴片晶体振动。单从风格上看，无法区分有源和无源。用户需要在查阅产品手册后进行区分。这种贴片晶体振动通常有2英尺和4英尺。常用设备体积为3225、3215、5032等；然后是MC-306封装晶振，常用长条形MC-146.然后是温补晶振TCXO，体积稍大，内部设计有温度补偿电路和微调窗口。由于其良好的温度特性、较小的频率偏差和稍微昂贵的价格，类似于恒温晶体振动OCXO，价格就比TCXO还要贵一些；最后是SiTime该设备不同于传统设备，用户可以通过编程修改振荡频率，支持1MHz到725MHz范围内的频率调整，非常适用于一些特殊的应用场合。
说到这里，我忍不住问:石英晶体内部长什么样？解决这个问题很简单。我们只需拆卸一个直插式的HC-49U无源晶体！朋友们觉得有点残忍吗？然后我们选择一个实验室N多年，引脚严重氧化晶体进行实验，拆卸过程如图2所示，首先打开晶体金属外壳发现内部有一层网状隔断，目的是使晶体和外部金属外壳绝缘和抗震，拆除核心石英晶体和电极后，用手轻轻打破，点击断裂，真的脆，鸡味。我们通过这个破坏性实验学到了什么？也就是说，在保存和使用晶体元件时，应避免碰撞，以免损坏内部石英晶体。焊接时不要持续高温，以免晶体引脚加热过快导致内部电极与石英晶体片之间断裂。因此，石英晶体是一种外观看起来坚固但内心脆弱的装置。
图2 HC-49U无源晶体拆解过程
拆下晶体后，心里很开心，接下来我们再来看看振荡电路的相关知识。单个石英晶体不能产生稳定的振荡信号，必须辅助相关电路。皮尔斯振荡电路、考毕兹振荡电路和克拉普振荡电路可用于常见的晶体振荡电路。皮尔斯振荡器几乎所有用于单片机的电路（Pierce Oscillator）结构。哦！我知道这个人是那个打架的人NBA的保罗·对吧？皮尔斯？错！这里的“皮尔斯”是乔治·皮尔斯。他发明了一种电子振荡电路，特别适用于石英晶体振荡产生振荡信号。皮尔斯振荡器衍生自考毕兹振荡器，其电路构成十分简单，我们自己也可以动手搭建，其电路原理如图3（a）用示波器测量OUT如图3所示（b）所示。
图3 皮尔斯振荡器电路原理及输出波形图
分析电路采用单极性5V供电，U1所选型号为CD4069芯片是一款CMOS电平输入/输出的高速反相器(含6个反相器单元)在电路中等效于大增益放大器单元，仅用于整个电路CD4069中的两个反相器单元，即1A、1Y、2A、和2Y这四个功能引脚，其它功能引脚接地。
Y1是无源石英晶体，标称振荡频率为16MHz的HC-49S晶体。R1.反馈电阻通常在兆欧级。有了这种电阻，反相器可以在晶体振荡开始时处于线性工作区，这有助于晶体振动。R2调节驱动电位，防止晶振过度驱动，加速老化，造成晶体损伤。这两个电阻的值非常关键，一旦值不当，就会产生高次谐波(通常是三次谐波，即Y1为xMHz输出信号为3xMHz），建议朋友在建电路时合理考虑。
C1、C2.负载电容器有助于振动，一般选择20-30pF具有良好频率特性的电容器(如瓷片电容器、独石电容器或CBB电容器)，其值对振荡频率有微调作用(因此晶体的实际振荡频率一般不是绝对准确的标称频率)，负载电容器的值受两个方面的影响，一是晶体器件的实际电容参数，二是受PCB寄生电容或杂散电容器间接引入布线、焊盘、板层厚度等参数。因此，朋友在选择实际电容器时，不必完全等同于晶体器件数据手册中的负载电容器参数。他们可以根据实际参数进行调整（顺便说一句，一些单片机芯片时钟引脚单元甚至有不同档位的负载电容器，如TI公司生产的MSP430x2xxx系列单片机，该系列产品内部支持1pF、6pF、10pF和12.5pF四档负载电容可选，这种单片机时钟引脚上只有一个晶体，无需外围辅助电路即可正常工作)。
通过电路搭建，CD4069芯片第四脚输出OUT这是时钟信号。原则上，石英晶体振荡的波形可以同时供应许多芯片。单片机不一定需要晶体振动。当然，输出信号的负载驱动能力也应该考虑PCB上时钟走线带来的干扰。
在学习了皮尔斯振荡器的简单电路后，一些朋友会有更多的疑问，每个人都会想STC单片机的时钟电路根本不需要CD4069啊？从哪里来的R1和R2啊？我通常只需要连接晶体和两个负载电容器？的确，一般来说XTAL1和XTAL2是STC一系列单片机的振荡信号可以接入引脚(或者只能通过XTAL2单端接入时钟信号）。它的模型仍然是皮尔斯振荡器，只是将振荡所需的反相器和相关电阻内置到单片机内部，其电路结构如图4所示。
图4 单片机时钟单元内外结构
由于结构简单，皮尔斯振荡器非常适合各种数字IC设计制造IC只要在外部添加石英晶体和负载电容器，就可以在设计过程中建立高速反相器和电阻。由于石英晶体频率稳定，电路成本低，广泛应用于各种消费电子产品
电路完成后，让我们来看看时钟信号的作用。我们之前说过，单片机在一定的节拍下工作，最快最直接的节拍是由外部晶体振荡电路或内部晶体振荡电路RC振荡器提供的时钟源频率，我们称之为振荡周期（CPU周期）和指周期，所以“振荡周期”越小，则完成一条指令所需的时间就越短，简单来说就是给的“节拍”越快，单片机工作的处理速度就越高。但是时钟频率也要有个“度”，受限于单片机内部电路的电气指标和门电路的动态特性，单片机时钟频率一般都有个范围，例如STC8H系列单片机可以支持4MHz至45MHz工作频率。
必须说明的是晶体的标称频率不能随意选择，有些应用中对振荡频率是有要求的。举个例子吧！有个朋友做51单片机串口通信程序的时候用的是外部石英晶体振荡电路，石英晶体选择的是12MHz，波特率是9600bps，上电后单片机可以正常工作，串口助手也能连续收到单片机的字符数据，但是奇怪的是接收数据开始的时候是正常的，慢慢的就开始乱码，到后面居然不能正常接收了，他赶紧问小宇老师，这是为啥呢？我让他微调了程序并把晶振换成11.0592MHz后通信正常了！咦~这是为啥？按理说12MHz晶体产生的振荡周期是1us，而11.0592MHz晶体产生的振荡周期是1.085us，这两个周期相差根本就不大，并不会过多影响单片机的执行速度，他们的主要差异是用在串口通信时，12MHz作为数值带入波特率计算后得到的偏差较大，在持续性通信过程中容易造成时钟的“累积误差”，每次都“慢半拍”持续下去的话就不止“半拍”了。
所以在特殊的应用中产生了看似奇怪的石英晶体标称频率，相似的还有用在DTMF（双音多频）编/解码上的3.579545MHz，又有用在RTC（实时时钟）上的32.768kHz，还有用在HF频段RFID（射频识别）上的13.56MHz等等，这些频率值看似“怪异”实则有特殊的适用。所以啊，选择合适的晶体或者晶振非常重要，选型的时候一定要考虑好封装尺寸、负载电容、标称频率、温度范围、频率偏移、频率老化时长等参数。
书名：《深入浅出STC8增强型51单片机进阶攻略》
作者：龙顺宇
定价：178.00元
本书以宏晶科技公司STC8系列增强型51单片机作为讲述核心，深入浅出地介绍该系列单片机片内资源及应用，其内容可在STC8A、STC8F、STC8C、STC8G及STC8H等系列单片机中应用。
本书以各种巧例解释相关原理，以资源组成构造学习脉络，选取主流开发工具构建开发环境，利用实战项目深化寄存器理解，注重“学”与“用”的结合，帮助读者朋友们快乐入门、进阶，筑牢基础，将相关理论知识应用到实际产品研发之中。
本书根据STC8系列单片机的资源脉络及初学者的学习需求，按照梯度设定22章，从内容组成上分为“无痛入门基础篇”和“片内资源进阶篇”。
无痛入门基础篇从第1章到第8章，主要讲解单片机的发展、学习方法、STC8系列单片机家族成员、软/硬件开发环境搭建及调试、I/O资源使用和配置、LED器件控制、A51和C51语言开发差异及特点、常见字符/点阵型液晶模块的驱动、独立按键/矩阵键盘交互编程的相关知识和应用。
片内资源进阶篇从第9章到第22章，主要讲解单片机的内部存储器资源、时钟源配置、中断源配置、基础型定时/计数器、高级型定时/计数器、UART异步通信接口、SPI同步串行外设接口、I2C串行通信、模数转换器A/D资源、电压比较器资源、片内看门狗资源、电源管理及功耗控制、ISP/IAP应用、EEPROM编程和RTX51实时操作系统的相关知识及应用。
龙顺宇（书童哥），硕士，高校教师，主要研究方向为嵌入式/单片机系统应用、物联网技术应用。中国电子学会电子工程师、中国工业和信息化部物联网工程师，台湾凌阳爱普物联网培训教师，电子芯客吧、电源网、电子发烧友论坛、与非网论坛、摩尔吧教育平台、原子哥教育平台、凡亿教育平台金牌讲师。《深入浅出STM8单片机入门、进阶与应用实例》书籍作者，思修电子工作室单片机理论教程及实战案例主讲人。
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