用非门74HC04与无源晶振产生时钟信号的两种电路

单片机晶振电路原理及作用_单片机晶振电路设计在电子学上，通常将含有晶体管元件的电路称作“有源电路”（如有源音箱、有源滤波器等），而仅由阻容元件组成的电路称作“无源电路”。

电脑中的晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。

无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。

有源晶振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DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（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。

有源晶振是右石英晶体组成的,石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。

当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。

压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。

图3是一个串联型振荡器，晶体管T1和T2构成的两级放大器，石英晶体XT与电容C2构成LC 电路。

在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，C2为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态。

该振荡器供电电压为5V，输出波形为方波。

单片机的内部时钟与外部时钟单片机有内部时钟方式和外部时钟方式两种：（1）单片机的XTAL1和XTAL2内部有一片内振荡器结构，但仍需要在XTAL1和XTAL2两端连接一个晶振和两个电容才能组成时钟电路，这种使用晶振配合产生信号的方法是内部时钟方式；（2）单片机还可以工作在外部时钟方式下，外部时钟方式较为简单，可直接向单片机XTAL1引脚输入时钟信号方波，而XTAL2管脚悬空。

本文基于AD7741芯片、74HC04非门,设计了两种可以应用于井下仪器并为其提供时钟源的无源晶振起振电路，并根据井下仪器的工作环境，设计了常温和高温175℃的实验对电路稳定性进行检测，根据实验结果对比，在74HC04芯片非门的基础上，提出了更优的基于CPLD的无源晶振电路设计,并进行样板检测证明该电路是合理可行的。

随着世界经济的发展，各国对石油天然气资源的需求也越来越大，井下作业的仪器设备需求量急速增长，但由于井下高温，高压，振动冲击和泥浆的恶劣工作环境对仪器设备的各方面要求较高。

而在仪器结构和其它模块都确定的情况下，硬件电路的设计与实现就成为了仪器能否可靠稳定工作关键。

但在实际应用中硬件电路中元器件在高温、高压、强冲击下易产生烧毁、开路、电参数飘移等失效方式[4]，对仪器的正常工作及安全生产造成了影响，所以设计开发可以应用于井下仪器的耐高温、高压、能承受冲击的电路对井下作业的发展有很大的促进作用。

应用于井下仪器设备的电路设计在电子电路设计及处理器芯片的应用中，时钟电路是高速处理电路及设备不可或缺的一部分，所以时钟电路的稳定性及可靠性就显得至关重要。

本文对应用于井下仪器中晶振电路的设计进行了具体研究，通过综合比较不同设计方案的晶振电路尺寸、电子元器件的特点以及工作可靠性等影响因素，选择出适用于本设计的晶振配置，并进行了实验验证。

1原理设计晶振在电路中的作用是为系统的各个部件提供基准频率。

应用中一般可选石英晶体谐振器作为无源晶振crystal（晶体），或选石英晶体时钟振荡器作为有源晶振oscillator（振荡器）[1]。

无源晶振由于其高品质因数(Q值)、高稳定性、小尺寸和低成本作为优良的频率选择与控制器件, 用途极为广泛, 现正向高基频、高性能、高可靠和微小型化方向发展[4]。

因此针对井下测井仪器高温高压的工作环境，以及仪器工作的恶劣环境的适用性，尽可能的减少贴片电子元器件的使用，节省电路所占的空间，设计了可以应用于井下仪器的无源晶振起振电路。

关于反相器与晶振组成振荡电路（精）问题：从网上看的反相器晶体振荡电路，都和反相器有一个并联电阻，起反馈作用。

但是我实际操作时为什么能有这个电阻呢？有了就不振荡了。

只需把反相器与晶体并联就行了，这个是为什么呢？望指点！回答：之所以你看到的有关反相器晶体振荡器的电路上都有并联一个电阻，是因为此时的反相器是一个真正意义上的反相器，即它的放大倍数趋近于无穷大，而要想构成一个振荡器，要求放大电路有一个合适的增益，这个增益并非越大越好，因此通常会加入反馈电阻降低电路的增益为一个合适的值，这就是加入电阻的作用。

你在实际中遇到的不用并联电阻就可以工作的反相器，它本身的增益不是无穷大，而是一个相对合适的数值，这样的反相器如果并联上电阻反而会因为增益过低而无法振荡。

反相器？太笼统！振荡器需要的是[反相放大器]，而不是[反相器]。

为了使反相器与晶振连接产生震荡，反相器必须偏置到电源的一半，才进入[防大区]。

电阻的作用就是偏置，使之进入线性放大区，构成震荡。

如果[反相器]本身就是工作在线性放大区，这个电阻可以去掉！如果保持原有放大器的放大倍数，又要加电阻，请用两个串联电阻替代原来的电阻，并且在两个电阻的中间的连接点上接一个电容到[地]。

让交流反馈为零，直流反馈为1。

保你成功！在这个例子中输入偏置是由输出端通过反馈电阻提供的，通过反馈输入端和输出端稳定在一个接近中点的点平上，构成了模拟放大器，所以这里的电阻是反馈电阻而不是偏置电阻。

不能因为它在反馈的同时提供了输入电流就简单地称其为偏置电阻。

谢谢两位得解答，受益非浅。

因为反相器是一个PMOS和一个NMOS组成得，接入并联晶振后成了一个放大器，使得晶振发起振荡？不知道我这样得理解是不是准确。

还有我想知道什么型号的反相器频率比较高？我使用74HC04和74HCT04两种的。

当晶振频率达到10MHz时出来的就成了锯齿波了，在4MHz左右时是方波，但是延时已较大了。

不知道有人用过没有，什么型号的能达到很高的频率方波？这种理解基本正确，要想构成正弦波振荡器，必须使用模拟的放大器，加入负反馈电阻就是构建模拟放大器的举措。

时钟电路的工作原理时钟电路是一种常见而重要的电子电路，用于测量和显示时间。

它在各种电子设备和系统中广泛应用，如电子手表、计算机、手机等。

本文将介绍时钟电路的工作原理及其基本组成部分。

一、时钟电路的基本原理时钟电路的基本原理是利用稳定振荡信号来进行时间计数，从而精确地测量和显示时间。

它通常由时钟振荡器、计数器和显示器等组件组成。

1. 时钟振荡器时钟振荡器是时钟电路的核心部分，它产生稳定的振荡信号以供后续的计数和显示。

常见的时钟振荡器有晶体振荡器和RC振荡器。

晶体振荡器是一种利用石英晶体具有稳定振荡特性的原理制作的振荡器。

石英晶体具有机械和电学耦合效应，使得它在外加电场或机械应力作用下能够迅速振荡。

晶体振荡器一般采用谐振回路结构，通过与晶体振荡频率相匹配的电路使其发生共振，从而输出稳定的振荡信号。

RC振荡器则利用电容和电阻组成的回路产生振荡信号。

由于电容和电阻的性质不够稳定，RC振荡器的频率相对较不精确，但在一些简单的应用中仍然可以满足需求。

2. 计数器计数器是时钟电路的另一个重要组成部分，它通过计数功能实现时间的测量和累加。

计数器根据时钟振荡器提供的脉冲信号进行计数，从而实现时间的推移。

计数器可以分为同步计数器和异步计数器两种类型。

同步计数器在每个脉冲信号到达时，所有的触发器同时更新计数器的值；异步计数器则是在一个或多个特定的触发器翻转时，才会更新计数器的值。

根据需要，可以选择适当的计数器类型。

3. 显示器显示器用于将计数器的结果以可视化的方式展示出来，以便观察者能够直观地了解时间的流逝。

常见的显示器种类包括数码管、液晶显示器和LED显示器等。

数码管是一种类似于七段显示器的数字显示设备，它由七个LED 灯组成，每个灯代表一个数字。

通过控制LED的亮灭状态，可以实现各种数字的显示。

液晶显示器则利用液晶材料的特性，通过控制液晶层的电场来实现显示。

液晶显示器具有较高的分辨率和显示效果，广泛应用在各种电子设备中。

一、实验目的1. 理解并掌握非门电路的基本原理和特性。

2. 通过搭建非门报警电路，验证非门电路的逻辑功能。

3. 学习电路设计与调试的基本方法，提高动手能力。

二、实验原理非门（NOT gate）是逻辑门电路中最基本的一种，它只有一个输入端和一个输出端，其输出信号总是与输入信号相反。

在非门报警电路中，当输入信号满足特定条件时，非门将输出高电平，从而触发报警器。

三、实验仪器与设备1. 非门芯片（如74HC04）2. 报警器3. 电阻4. 电容5. 电池6. 连接线7. 实验板8. 示波器（可选）四、实验步骤1. 电路设计：- 根据实验要求，设计非门报警电路的原理图。

- 选择合适的非门芯片，并按照原理图连接电路。

2. 电路搭建：- 将非门芯片安装在实验板上。

- 按照原理图连接电阻、电容、报警器和电池等元件。

- 确保电路连接正确，无短路或断路现象。

3. 电路调试：- 使用示波器（如有）检测非门输入端和输出端的电压波形。

- 调整电路参数，使非门电路正常工作。

4. 报警测试：- 向非门输入端施加不同的电压信号，观察报警器是否触发。

- 验证非门电路的逻辑功能是否满足报警要求。

五、实验数据与结果1. 实验数据：| 输入电压（V） | 输出电压（V） | 报警状态 || :-----------: | :-----------: | :------: || 0 | 5 | 未报警 || 5 | 0 | 已报警 |2. 实验结果：通过实验，验证了非门电路的逻辑功能，当输入电压为5V时，非门输出0V，报警器触发；当输入电压为0V时，非门输出5V，报警器未触发。

六、实验分析与讨论1. 非门电路特性：非门电路具有简单的逻辑功能，当输入信号为高电平时，输出低电平；当输入信号为低电平时，输出高电平。

在报警电路中，非门起到判断输入信号是否满足报警条件的作用。

2. 电路参数调整：在实验过程中，通过调整电阻和电容的值，可以改变电路的响应速度和灵敏度。

时钟电路设计概述-数字电路设计本文一般性地讲解了数字电路设计中的时钟电路设计，包括有源晶振，无源晶振，时钟缓冲器，并探讨了有关EMC，端接电阻和信号完整性的设计要点，设计经验来自于生花通信（Signalsky）的数字电路设计工程师。

时钟信号产生电路先看图1中的两个时钟电路，不用我说，相信读者一眼就可以看得出来，左边的那个是有源晶振电路，右边的是无源晶振电路。

图1 两个时钟电路振荡器就是可以产生一定频率的交变电流信号的电路晶体振荡器，简称晶振，是利用了晶体的压电效应制造的，当在晶片的两面上加交变电压时，晶片会反复的机械变形而产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压。

当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得附加外部时钟电路，一般是一个放大反馈电路，只有一片晶振是不能实现震荡的多，产生共振，这种现象称为压电谐。

晶振相对于钟振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。

如果把完整的带晶体的振荡电路集成在一块，可能再加点其它控制功能集成到一起，封装好，引几个脚出来，这就是有源晶振，时钟振荡器，或简称钟振。

英文叫Oscillator，而晶体则是Crystal。

可以说Oscillator是Crystal经过深加工的产品，而Crystal是原材料。

好多钟振一般还要做一些温度补偿电路在里面。

让振荡频率能更加准确。

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。

典型无源晶振电路图2是典型的无源晶振电路。

图2 典型的无源晶振电路•与晶振并联的电阻的作用与晶振并联的电阻R4是反馈电阻，是为了保证反相器输入端的工作点电压在VDD/2，这样在振荡信号反馈在输入端时，能保证反相器工作在适当的工作区。

虽然去掉该电阻时，振荡电路仍工作了。

但是如果从示波器看振荡波形就会不一致了，而且可能会造成振荡电路因工作点不合适而停振。

转载自：MCU,单片机,全称单片微型计算机。

它相当于一个微型计算机,只是相对于计算机来说少了输入和输出设备,是把一个计算机系统集合到一个芯片上。

而每个单片机系统里都有一款晶振,它就相当于单片机系统的心脏,如果没有晶振那单片机也就工作不起来。

晶振的作用就是产生时钟频率,单片机的运行速度就和晶振产生的时钟频率相搭边,时钟频率越高单片机的速度也就越快。

石英晶振内部都有一块石英晶体,它可以把电能和机械能互相转换,从而给电子系统提供稳定、精确的单频振荡。

石英水晶振子也有高等普通之分,普通晶振频率精度就可达到50%,高级晶振的频率精度可想而知了,但是高级晶振就价格也相对较高。

晶振分为两大类,无源晶振（石英晶体谐振器）,有源晶振（石英晶体振荡器）。

石英晶体谐振器的价格一般都是比较廉价的,但是相对的缺陷也是有的,信号质量较差、需要精确匹配外围电路，更换不同频率的晶振是也比较麻烦。

石英晶体振荡器的价格要比无源晶振的价格高上不少,而且灵活性也较差,但是一分钱一分货,有源晶振不需要芯片内部有振荡器,型号也较好,比较稳定。

不需要复杂的匹配电路和链接方式,产线生产也快。

石英晶体振荡器如果按照现代社会的要求来说,可以范围内为4种：OCXO恒温晶振、TCOX温补晶振、SPXO普通振荡器、VCXO 压控晶振。

关于石英晶体振荡器我们之前已经跟大家讲过了,就先不讲了,等后期有新知识再教给大家。

今天给大家说说这无源晶振电路怎么选择负载电容。

无源晶振在电子产品中用的比较多,用量也比较大,而每一款晶振都有各自的特性,负载电容也不例外。

1.在电子产品许可的范围里负载电容值越小越好。

2.输出电容值要大于输入值,这也可以加快晶振起振。

3.工程在挑选外部元件的时候数值应该和晶振参数相匹配。

无源晶振输出波形为正弦波，有源晶振输出波形为正弦波或方波。

有源晶振本身输出是正弦波，在其内部加了整形电路，所以输出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波输出（很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，这是由于示波器的带宽不够。

例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。

完美的再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100M的示波器。

）。

输出波形有：正弦波、LVDS、PECL、CMOS、TTL LVDS（Low Voltage Differential Signal）即低电压差分信号。

(P)ECL是高速领域内一种十分重要的逻辑电路，它的优良特性使它广泛应用于高速计算机、高速计数器、数字通信系统、雷达、测量仪器和频率合成器等方面。

TTL和CMOS是通用的逻辑电平。

至于后面的15PF、50PF是这些输出波形的匹配负载。

方波主要用于数字通信系统时钟上，用来驱动时纯计数电路或门电路，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。

正弦波主要用于对EMI、频率干扰有特殊要求的电路，这种电路要求输出的高次谐波成分很小；后面有模拟电路选用正弦波也是比较好的选择。

通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。

方波输出功率大，驱动能力强，但谐波分量丰富；正弦波输出功率不如方波，但其谐波分量小很多。

有源晶振的频率输出必定要有某个波形作为输出载体，波形的输出也必定会伴随着某个负载值。

在实际使用中，波形负载也是晶振的非常重要参数指标。

选择不当的话，轻则导致晶振或其他模块工作不正常，功能无法实现，重则损坏模块甚至整机。

晶振的输出波形主要有三大类：正弦波、方波和准正弦波。

晶振负载主要有以下几种：1、正弦波：负载50欧姆或1k欧姆；2、方波：N个TTL负载或N个PF电容；3、准正弦波：10K欧姆并联10PF电容；此外还有差分输出PECL、LVDS等高频（100MHz以上）常用的，实际使用中晶振的输出一般用于驱动以下电路形式：1、同轴电缆类的长线输出；2、滤波器类的电路的输出；以上两种电路一般适用于50欧姆的负载。