你知道单片机的“心脏”是怎么工作的吗？ zz - MobileDevelopment版

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l***s
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看过标题，可能很多朋友都会冒出很多疑问：单片机？单片机不是电子设计的心脏吗？
它的心脏又是什么？
你知道单片机的“心脏”是怎么工作的吗？
无论是单片机还是微处理器，它们的核心都是大规模的时序逻辑电路，而驱动时序逻辑
电路的动力则是准确而稳定的时钟源——不要小看定语“准确而稳定”哦，实际上人类
的科技之所以能如此稳定、高速的发展，就是离不开准确而稳定的时钟源。比如单片机
所使用的晶体振荡器，就是一种比较准确的时钟源。
在晶体振荡器之前，振荡源一般是LC振荡电路等电路，但它们会受到外界的影响（振动
、温度等），其误差可能达到kHz级别。长时间的工作情况下其准确度也难以保证。无
线电和数字电路的发展迫使一种准确且稳定的时钟源诞生，于是就有了晶体振荡器。
将石英晶体按照一定的方式切割，并向其施加电压，它就会在外加电场的作用下开始振
动，这种性质被称作“压电性”。这就使得石英晶体拥有了能够与外界的振荡谐振的能
力。按照同样的方式切割出来的晶体拥有着相同的振荡频率，这也就使得批量生产石英
晶体成为了可能。
你知道单片机的“心脏”是怎么工作的吗？
实用的石英晶体振荡器的内部一般是这样的：一片精密切割好的晶体放置在中间，被两
片化学处理过的金属氧化物夹在中间，并用结实的金属外壳包装好。这也是为什么晶振
的电路图符号是一两个电极夹着一个晶体。典型的石英晶体振荡器的应用电路如下图所
示：
你知道单片机的“心脏”是怎么工作的吗？
这种电路被称作皮尔斯振荡器，利用一个反相器来完成电路。下方的两个电容一般取相
同的电容值，它们的取值可以微弱的影响整个电路的振荡频率。它们的作用是与石英晶
体构成带通滤波器，在石英晶体的共振频率上形成一个180度的相移。这个电路最常见
于单片机的时钟部分。
对于石英晶体来说，被切割的越细，其共振频率越高——但也不是无极限的，切割的过
细的话，石英晶体将很容易破碎。而这个极限频率大概为20MHz。那那些20MHz以上的晶
体是怎么制作的呢？
你知道单片机的“心脏”是怎么工作的吗？
实际上，对于超过20MHz的晶体，它们所利用的是晶体振荡频率中的谐波。我们可以加
强晶体的奇数倍谐波并利用它。比如我想要使用50MHz的晶体的话，我可以制造一块
10MHz的晶体，并使它的结构增强5倍谐波（50MHz）。对于这样的晶体来说，如果需要
纯净的50MHz的话，在使用时就需要使用外接的谐振电路选择出这个50MHz的谐波。
你知道单片机的“心脏”是怎么工作的吗？
对于时钟源这种东西来说，我们永远不会介意它的精度高，越高越好。但是即使是晶振
这种有很长历史的振荡器，也足够我们好好研究上一段时间了呢！

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