单片机内外部晶振，到底有什么区别？

如果你对于单片机硬件足够了解的话，一般都知道单片机系统里都会使用到晶振，其发挥的作用非常大。单片机带有内部晶振和外部晶振，那么如何单片机稍微内部晶振与外部晶振有何区别呢？

一、单片机晶振的作用

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的石英晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机接的一切指令的执行都是建立在晶振提供的时钟频率。

二、单片机晶振电路原理

单片机一般采用三端式（考毕兹）交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路中，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把石英晶体的等效电路代替晶体后。其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。

分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的，决定振荡频率的整个槽路C=Cbe，Cce，Cv三个串联后和Co并联再和C1串联。可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于C1很小（1E-15量级），Co不能忽略（1E-12量级）。所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压（Cbe上的电压）却越来越小。采用泛音次数越高的晶振，其等效C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。

简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。

三、单片机的内部晶振与外部晶振区别

单片机的外部晶振稳定，受温度，湿度等环境因素影响比内部晶振小，精度比较高。而且当设计需要降低功耗时，比如说便携式仪表等，就需要外部晶振，因为内部晶振不能根据需要停止，而外部晶振可以适时停止，从而进入休眠状态，降低功耗。

而单片机的内部晶振一般不够准确，误差比较大。但单片机的内部晶振和外部晶振的作用都是一样的，给系统提供时钟。如果对频率要求不高的话（比如不涉及串口通信和精确定时等的话），用内部晶振就足够了，并且这样成本还低。

单片机常用电路1-晶振电路

在单片机的学习中，不光是单片机程序的编写，还有电路的设计。有些公司可能会把单片机开发分成两块：电路设计、程序设计。然后负责电路设计的人只负责电路设计，不用考虑单片机编程；程序设计的人只管单片机编程，不设计电路。

不过我个人认为，只搞电路设计的人可以不用关心单片机是怎么编程的，但是搞单片机程序设计的人，却必须要对电路很熟悉，你可以不用亲自设计电路，但是必须对单片机项目中各种电路的原理足够了解，这样才能确保设计出来的程序稳定、健壮。

举个例子来说吧，假如一个单片机系统中用到了EEPROM存储芯片，EEPROM芯片的SCL和SDA是开漏输出的，需要外接上拉电阻，假设电路板上的EEPROM芯片的SCL和SDA的上拉电阻忘记焊上或者坏掉了，这时候调试EEPROM是调不通的，如果这时候电路设计人员不在，而单片机程序设计人员又对EEPROM的原理不熟悉，就会陷入到麻烦中：因为对电路不熟悉，就会一遍一遍的查找程序的原因。可是程序明明没有问题啊，这个程序在别的项目中一直都是正常的，为什么在这个板子上就不行了呢？

还有一点，一般带有微控制器的电路板，电路功能是否正常，是需要编写一定的验证程序来测试电路板的性能的，单靠电路设计人员使用万用表、示波器等工具是无法验证电路的好坏的。

综上所述，单片机程序设计人员一定要对电路的原理熟悉，这样才能设计出正确的程序。

从本篇文章开始，我们就来简单学习一下单片机开发中常用的电路。

当然，由于本人水平有限，关于这些电路的讲解只限于简单原理的讲解。如果有错误，欢迎批评指正。

1. 单片机常用电路1-晶振电路

早期的单片机（比如经典的51单片机）系统，外接晶振是必须的（当然也可以外接时钟脉冲，但是很少用），因为单片机的运行必须依赖于稳定的时钟脉冲。但是随着技术的发展，现在很多单片机都已经集成了内部时钟，所以在一般的应用场合，可以不用外接晶振电路了。不过由于内部时钟容易受外界干扰，所以在要求严格的场合，晶振电路还是很有必要的。

晶振电路1

图1是典型的单片机外接晶振电路。

图1 单片机晶振电路

该电路不只是有一个晶振，还有两个电容，这两个电容有什么作用呢？

这两个电容一般称为“匹配电容”或者“负载电容”、“谐振电容”。晶振电路中加这两个电容是为了满足谐振条件。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。只有连接合适的电容才能满足晶振的起振要求，晶振才能正常工作。

负载电容的值由如下公式计算：

负载电容无法满足的话一般会使晶体频率产生偏差，严重的话晶体无法起振。电路设计中要尽量满足晶体的负载电容需求，从而使晶体工作在最佳状态。负载电容计算公式如下：

CL = C1*C2 / (C1+C2) + CS

CL为晶振的负载电容值，一般通过查询晶振的数据手册获得。CS为电路板的寄生电容，一般取 3~5pF，取C1 = C2，那么公式可以简化成如下：

CL = C1 / 2 + CS

一般情况下，增大负载电容的值会使振荡频率下降，减小负载电容的值，会使振荡频率上升。

晶振电路2

我们有时候还会看到如图2所示的晶振电路。

图2 不带并联电阻和带并联电阻的晶振电路

该电路中晶振上又并了一个电阻，这是为什么呢？

这个电阻实际上是反馈电阻，是为了方便晶振起振的。对于COMS而言，这个电阻的阻值可以是1M以上，对于TTL则是需要视情况而定。最好的办法是看看芯片的数据手册，确认芯片晶振电路内部是否有电阻，如果没有，电路设计时最好加上。

晶振电路3

图3是有源晶振电路。

图3 有源晶振电路

有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。有源晶振不需要CPU的内部振荡器，连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。

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