MCU外接晶体及振荡电路解析

很多 MCU 开发者对MCU晶体两边要各接一个对地 电容的做法表示不理解，因为这个电容有时可以去掉。笔 者参考了很多书籍，却发现书中讲解的很少，提到最多的往往是：对地电容具稳定作用或相当于负载电容等，都没有很深入地去进行理论分析。而另外一方面，很多 爱好者都直接忽略了晶体旁边的这两个电容，他们认为按参考设计做就行了。但事实上，这是MCU的振荡电路，又称“三点式电容振荡电路”，如图1所示。

　　图1：MCU的三点式电容振荡电路
　　其中，Y1是晶体，相当于三点式里面的电感；C1和C2是电容，而5404和R1则实现了一个NPN型三极管（大家可以对照高频书里的三点式电容振荡电路）。
　　接下来将为大家分析一下这个电路：首先，5404必需搭一个 电阻，不然它将处于饱和截止区，而不是放大区，因为R1相当于三极管的偏置作用，能让5404处于放大区域并充当一个反相器，从而实现NPN三极管的作用，且NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。
　　其次将用通俗的方法为大家讲解一下这个三点式振荡电路的 工作原理。众所周知，一个正弦振荡电路的振荡条件为：系统放大倍数大于1，这个条件较容易实现；但另 一方面，还需使相位满足360°。而问题就在于这个相位：由于5404是一个反相器，因此已实现了180°移相，那么就只需C1、C2和Y1再次实现 180°移相就可以了。恰好，当C1、C2和Y1形成谐振时，就能实现180移相；最简单的实现方式就是以地作为参考，谐振的时候，由于C1、C2中通过 的 电流相同，而地则在C1、C2之间，所以恰好电压相反，从而实现180移相。
　　再则，当C1增大时，C2端的振幅增强；当C2降低时，振幅也增强。有时即使不焊接C1、C2也能起振，但这种现象不是由不焊接C1、C2的做法造成的，而是由 芯片引脚的分布电容引起，因为C1、C2的电容值本来就不需要很大，这一点很重要。
　　那么，这两个电容对振荡稳定性到底有什么影响呢？由于5404的电压反馈依靠C2，假设C2过大，反馈电压过低，这时振荡并不稳定；假设C2过小，反馈电压 过高，储存能量过少，则容易受外界干扰，还会辐射影响外界。而C1的作用与C2的则恰好相反。在布板的时候，假设为双面板且比较厚，那么分布电容的影响则 不是很大；但假设为高密度多层板时，就需要考虑分布电容，尤其是VCO之类的振荡电路，更应该考虑分布电容。
　　因此， 那些用于工控的项目，笔者建议最好不要使用晶体振荡，而是直接接一个有源的晶振。很多时候大家会采用32.768K的 时钟晶体来做时钟，而不是通过单片机 的晶体分频来做时钟，其中原因想必很多人也不明白，其实上这是和晶体的稳定度有关：频率越高的晶体，Q值一般难以做高，频率稳定度也比较差；而 32.768K晶体在稳定度等各方面的性能表现都不错，还形成了一个 工业标准，比较容易做高。另外值得一提的是，32.768K是16 bit数据的一半，预留最高1 bit进位标志，用作定时计数器内部数字计算处理也非常方便。