10、嵌入式微处理器硬件设计全解析

嵌入式微处理器硬件设计全解析

1. 微处理器时钟相关知识

1.1 晶体振荡器基础

微处理器时钟的选择常常令人感到神秘。多数微控制器和许多微处理器都有内部振荡器，通常是一个高增益的反相放大器级。晶体与外部电容 C1 和 C2 相连构成振荡器，这种类型的晶体振荡器被称为皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。

在谐振时，晶体类似于一个带有一些串联电阻和并联电容的串联 LC 电路。皮尔斯振荡器通常会在晶体的基频上谐振，除非添加外部组件来强制其在不同频率下工作。

1.2 负载电容

电容 C1 和 C2 用于使振荡器启动，它们的值通常在 20pF 到 100pF 之间。并联谐振晶体有特定的负载电容要求，理想情况下，电路的负载电容应与晶体指定的负载电容相匹配。电路负载电容的计算公式为：
[C_{load}=\frac{C_1\times C_2}{C_1 + C_2}+C_s]
其中 (C_s) 是电路中的杂散电容，通常约为 5pF。例如，如果晶体指定的负载电容为 30pF，那么 C1 和 C2 大约各为 50pF。不过，C1 和 C2 的最佳值是频率稳定性和启动时间之间的折衷。如果 C1 和 C2 太大，振荡器可能无法启动；如果太小，理论上振荡器也无法启动，但杂散电路电容有时足以使其工作。

1.3 串联和并联晶体

微处理器晶体主要有串联和并联两种类型。串联晶体用于没有电抗组件（即没有 C1 或 C2）的电路，而并联晶体用于有这些组件的电路。对于嵌入式应用，并联晶体的谐振频率是在其安装在反相电路中时实现的，如特定图示所示；串联晶体则用于非反相放大器电路。虽然串联晶体可以