晶振 负载电容 匹配电容

博客介绍了负载及容性负载的概念,指出负载电容是晶振两条引线连接IC块内外所有有效电容之和。还阐述了晶振匹配电容相关内容,包括皮尔斯振荡器组成,以及负载电容对振荡频率的影响,并给出了负载电容的计算公式及示例。

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https://blog.youkuaiyun.com/Glory_Zhao/article/details/78141921
什么是负载电容
负载是指连接在电路中的电源两端的电子元件负载包括容性负载、阻性负载和感性负载三种。电路中不应没有负载而直接把电源两极相连,此连接称为短路。常用的负载有电阻、引擎和灯泡等可消耗功率的元件。不消耗功率的元件,如电容,也可接上去,但此情况为断路。容性负载的含义是指具有电容的性质(充放电,电压不能突变)即和电源相比当负载电流超前负载电压一个相位差时负载为容性(如负载为补偿电容)。
负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振在电路中串接了一个电容。
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http://baijiahao.baidu.com/s?id=1598360077947740448&wfr=spider&for=pc
晶振的匹配电容计算公式
大多数电子工程师都见过单片机中如下图所示的形式,一般单片机都会有这样的电路。晶振的两个引脚与芯片(如单片机)内部的反相器相连接,再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2,组成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)
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上图中,U1为增益很大的反相放大器,CL1、CL2为匹配电容,是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点,输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡,它们会稍微影响振荡频率,主要用与微调频率和波形,并影响幅度。 X1是晶体,相当于三点式里面的电感

R1是反馈电阻(一般≥1MΩ),它使反相器在振荡初始时处于线性工作区,R2与匹配电容组成网络,提供180度相移,同时起到限制振荡幅度,防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。

这里涉及到晶振的一个非常重要的参数,即负载电容CL(Load capacitance),它是电路中跨接晶体两端的总的有效电容(不是晶振外接的匹配电容),主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻,与晶体一起决定振荡器电路的工作频率,通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

负载电容的公式如下所示:
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其中,CS为晶体两个管脚间的寄生电容(Shunt Capacitance)

CD表示晶体振荡电路输出管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CO、外加匹配电容CL2,即CD=CPCB+CO+CL2

CG表示晶体振荡电路输入管脚到地的总电容,包括PCB走线电容CPCB、芯片管脚寄生电容CI、外加匹配电容CL1,即CG=CPCB+CI+CL1

一般CS为1pF左右,CI与CO一般为几个皮法,具体可参考芯片或晶振的数据手册

(这里假设CS=0.8pF,CI=CO=5pF,CPCB=4pF)。

比如规格书上的负载电容值为18pF,则有
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则CD=CG=34.4pF,计算出来的匹配电容值CL1=CL2=25pF

<think>好的,用户现在想了解皮尔斯振荡器的工作原理及其与晶振频率输出的关系,特别是它在8MHz晶振生成500kHz方波中的应用。我之前已经回答过相关问题,现在需要结合用户提供的引用资料之前的对话来组织答案。 首先,我需要回顾用户提供的引用内容。引用[4]详细说明了皮尔斯振荡器的结构,包括反相器、电容晶振的作用,以及相移条件。引用[3]提到了晶振的等效电路频率稳定性因素,这对解释工作原理有帮助。引用[2]涉及分频倍频,用户之前的问题中也提到了分频到500kHz的情况,所以需要将分频机制与皮尔斯振荡器的输出结合起来。 用户之前的问题是关于8M晶振通过反相器输出500kHz方波,现在进一步询问皮尔斯振荡器的工作原理应用。因此,我需要将皮尔斯振荡器的工作过程分步骤解释,并说明在生成方波中的应用,尤其是分频的作用。 接下来,我需要确保回答结构清晰,分点说明。首先解释皮尔斯振荡器的基本结构工作原理,包括相移条件、电容的作用等。然后,结合8MHz晶振生成500kHz方波的具体应用,说明分频如何实现频率转换,并可能提到分频电路的选择,如单片机内部的分频器或外部芯片。 还需要注意用户提到的引用资料中的关键点,比如负载电容匹配(引用[3]之前的回答),分频系数计算(用户之前的回答中的公式),以及波形整形部分(施密特触发器)。同时,引用[4]中的电路图虽然没有显示,但可以描述电容C1C2的作用,以及如何满足振荡条件。 另外,用户可能对频率稳定性、负载电容的影响感兴趣,这些在引用[3]中提到过,需要适当融入回答中。例如,负载电容匹配会导致频率偏移,这在设计时必须注意。 最后,生成的相关问题要围绕用户可能进一步询问的方向,比如相移条件的计算、分频器的选择、负载电容的影响等,确保问题有针对性且基于现有内容。 现在,我需要整合这些信息,用中文清晰地分步骤解释,并确保LaTeX格式正确,引用标记正确添加。同时,避免使用Markdown,保持自然的口语化表达,但最终回答需要结构化,符合用户要求的层次分明。</think>### 皮尔斯振荡器的工作原理及在8M晶振生成500kHz方波中的应用 --- #### 一、皮尔斯振荡器的核心原理 皮尔斯振荡器(Pierce Oscillator)是一种基于**反相器+晶体谐振器**的经典振荡电路,其核心目标是**满足振荡的相位幅度条件**,具体工作流程如下: 1. **基本电路结构** - **反相器**:提供180°相移(如CMOS反相器或单片机内部的放大器)[^4]。 - **晶体谐振器(X1)**:作为高Q值选频元件,决定振荡频率(如8MHz晶体)。 - **负载电容(C1、C2)**:与晶体形成谐振回路,需满足晶振规格书要求的等效电容值(如12.5pF)[^3]。 2. **振荡条件** - **相位条件**:环路总相移需为360°(即反相器的180° + 晶振电容网络的180°)[^4]。 - **幅度条件**:环路增益需大于1,确保信号持续放大。 电路简图如下: ``` [反相器] → [C1] → [晶振X1] → [C2] → [反相器反馈端] ``` 3. **晶振的等效模型** 晶振可等效为$RLC$电路(含串联电感$L_1$、电容$C_1$、电阻$R$及并联电容$C_0$)[^3]。 $$ Z_{\text{晶体}} = \frac{1}{j\omega C_0} + \frac{1}{j\omega C_1 + \frac{1}{R + j\omega L_1}} $$ 通过调整$C_1$$C_2$的比值,可微调振荡频率。 --- #### 二、从8MHz到500kHz方波的实现 1. **晶振生成8MHz正弦波** 皮尔斯振荡器输出为**8MHz正弦波**,需通过以下步骤转换为500kHz方波: - **波形整形**:正弦波经**施密特触发器**(集成在反相器中)转换为方波,确保边沿陡峭。 - **分频处理**:通过数字分频器对8MHz方波进行分频,分频系数计算为: $$ N = \frac{8\ \text{MHz}}{500\ \text{kHz}} = 16 $$ 常用分频方式包括: - **硬件分频**:如74HC4040计数器芯片。 - **软件分频**:单片机内部定时器的预分频功能[^2]。 2. **关键设计要点** - **负载电容匹配**:若$C_1$$C_2$不匹配晶振要求,会导致频率偏移或停振(如8MHz晶振需配12.5pF电容)[^3]。 - **分频器稳定性**:分频电路的时钟抖动(Jitter)需控制在目标应用允许范围内。 - **PCB布局优化**:缩短晶振与反相器的走线,减少寄生电容对频率的影响。 --- #### 三、典型应用案例 以STM32单片机为例: 1. 外部8MHz无源晶振通过皮尔斯振荡电路产生基准频率。 2. 内部锁相环(PLL)可倍频至72MHz(参考引用[2]的倍频原理)。 3. 若需输出500kHz方波,则通过定时器配置16分频: ```c // 示例代码:STM32定时器分频配置 TIM_PrescalerConfig(TIM2, 15, TIM_PSCReloadMode_Immediate); // 16分频 ``` --- ### 相关问题 1. 皮尔斯振荡器中如何计算C1C2的取值以满足晶振负载电容要求? 2. 分频器选择硬件分频与软件分频的优缺点对比? 3. 若8MHz晶振实际输出频率为8.02MHz,分频后的500kHz信号会偏差多少?
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