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。

时钟振荡电路分析

时钟振荡电路用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。51系列单片机可以采用两种方式的时钟振荡电路：内部振荡电路和外部振荡电路。下面分别介绍这两种方式。

内部振荡电路

内部振荡电路采用单片机内部振荡器来产生工作所需的时钟。51系列单片机内部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内反相放大器的输入端口和输出端口。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器，并通过两个电容后接地即可，如图2.2所示。使用时，对于电容的选择有一定的要求。

图2.2　内部时钟模式

当外接晶体振荡器的时候，接地电容一般选择C1=C2=30±10pF。

当外接陶瓷振荡器的时候，接地电容一般选择C1=C2=40±10pF。

在实际的硬件电路板设计时，应该保证外接的振荡器和电容尽可能靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚。这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。如果振荡器连接不当，会导致电路不起振，没有时钟信号产生。

外部振荡电路

外部振荡电路是采用外部振荡器产生时钟信号直接供单片机使用。对于不同结构的单片机，外部振荡电路的方式有所不同，如图2.3所示。

图2.3　外部振荡电路

对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此建议外接一个上拉电阻。

对于CMOS型的80C51、80C52、AT89S52等单片机，其内部的时钟发生器的信号取自于反相放大器的输入端。因此，外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。

另外，无论采用内部振荡电路还是外部振荡电路，振荡电路的频率应该满足单片机的工作频率要求，比如对于AT89S52单片机，其工作频率为0～33MHz。

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