單片機的心臟：必須了解晶振的幾個問題

在初學(xué)單片機的時候，總是伴隨很多有關(guān)于晶振的問題，其實晶振就如同人的心臟，是血液的脈搏。把單片機的晶振問題搞明白了，51 單片機的其他問題迎刃而解。

什么是晶振

晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。

晶振，全稱是石英晶體振蕩器，是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器。通過一定的外接電路來，可以生成頻率和峰值穩(wěn)定的正弦波。而單片機在運行的時候，需要一個脈沖信號，做為自己執(zhí)行指令的觸發(fā)信號，可以簡單的想象為：單片機收到一個脈沖，就執(zhí)行一次或多次指令。

對于單片機來說晶振是很重要的，可以說是沒有晶振就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期就無法執(zhí)行程序代碼，那樣的話單片機就無法工作。

晶振與單片機周期

單片機工作時，是一條一條地從 RoM 中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準?！獋€機器周期包括 12 個時鐘周期。如果一個單片機選擇了 12MHz 晶振，它的時鐘周期是 1/12us，也是一個晶振周期。它的一個機器周期是 12×（1/12）us，也就是 1us。

機器周期不僅對于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數(shù)器的時間基準。例如一個單片機選擇了 12MHz 晶振，那么當(dāng)定時器的數(shù)值加 1 時，實際經(jīng)過的時間就是 1us，這就是單片機的定時原理。

單片機晶振的作用

單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。

晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。

在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。

指令周期

指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的時間，一般由若干個機器周期組成。指令不同，所需的機器周期數(shù)也不同。對于一些簡單的的單字節(jié)指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即譯碼執(zhí)行，不再需要其它的機器周期。對于一些比較復(fù)雜的指令，例如轉(zhuǎn)移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。通常含一個機器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個機器周期的指令稱為雙周期指令。簡單地說，沒有晶振，就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序代碼，單片機就無法工作。

機器周期不僅對于指令執(zhí)行有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數(shù)器的時間基準。例如一個單片機選擇了 12 兆赫茲晶振，那么當(dāng)定時器的數(shù)值加 1 時，實際經(jīng)過的時間就是 1us，這就是單片機的定時原理。

晶振是給單片機提供工作信號脈沖的。這個脈沖就是單片機的工作速度。比如 12 兆晶振。單片機工作速度就是每秒 12 兆。單片機內(nèi)部也有晶振。接外部晶振可以或得更穩(wěn)定的頻率。

另外，在此提一句：晶振與晶體是不一樣的。

晶振與晶體的區(qū)別

（1）晶振是有源晶振的簡稱，又叫振蕩器，英文名稱是 oscillator。晶體則是無源晶振的簡稱，也叫諧振器。英文名稱是 crystal。

（2）無源晶振（晶體）一般是直插兩個腳的無極性元件，需要借助時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。常見的有 49U、49S 封裝。

（3）有源晶振（晶振）一般是表貼四個腳的封裝，內(nèi)部有時鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號。一般分 7050、5032、3225、2520 幾種封裝形式。

結(jié)語

在進行單片機設(shè)計的時候，選擇合適的晶振也是很重要的。器件選型時一般都要留出一些余量，以保證產(chǎn)品的可靠性。選用較高檔的器件可以進一步降低失效概率，帶來潛在的效益，這一點在比較產(chǎn)品價格的時候也要考慮到。

要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理，這就需要權(quán)衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應(yīng)、相位噪聲、成本等多方面因素，這里的成本不僅僅包含器件的價格，而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。