謝 @閼男秀邀，最近事情比較多，所以這個回答來得有點晚。。。

引用atmel的8051微控制器硬件手冊里面"Oscillator and Clock Circuit"的一段話：

XTAL1 and XTAL2 are the input and output of a single-stage on-chip inverter, which can

be configured with off-chip components as a Pierce oscillator.

XTAL1和XTAL2指的是8051系單片機上常見的用于接“晶振”（晶體諧振器-Crystal Resonator”）的兩個引腳。從原理上來說，這兩個引腳和MCU內(nèi)部一個反相器相連接。這個反相器與外部的“晶振”組成一個構成一個皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator）。因為這個振蕩器集成在器件內(nèi)部的組件實在是不能更簡單啦，就一個反相器和一個電阻，非常合適于各種數(shù)字IC的設計制造流程。

深入地分析這個皮爾斯振蕩器的工作原理時，不妨把它表述成以下理想的電路形式：

模電知識告訴我們，當期望得到一個輸出信號頻率為

的振蕩電路時，這個電路在

必須滿足兩個條件：

的環(huán)路相移 閉環(huán)增益為1

在上面的皮爾斯振蕩器的電路原理圖中，不難發(fā)現(xiàn)反相器U1對任意的頻率分量均提供了180°，即

的相移量。同時，反相器在輸入輸出之間可以看作是一個buffer，因此通過對反相器的輸出特性進行調(diào)教，較容易得到1的loop gain。

到這里有人會問了，相移量只有

，上面的兩個條件連一個都沒達到，這哪能起振呢？問題的關鍵在于電路中的其它元件上。

首先，對電路中的一顆“晶振”來說，石英晶體本身具有壓電效應晶振原理，對石英晶體進行適當處理后可以得到一種壓電諧振器件，這就是常見的石英晶體諧振器（以下簡稱QCR）。對QCR的物理特性進行分析，可以發(fā)現(xiàn)QCR的壓電諧振過程可以用以下的理想電路模型近乎完美地表示出來。

右圖的電路模型中，L1-C1-R1組成了一個RLC串聯(lián)諧振電路，再加上一個實際很小的C0，整個QCR電路模型有兩個很接近的諧振點。QCR在電路中與反相器并聯(lián)，充當?shù)氖且粋€選頻網(wǎng)絡的作用。整個振蕩電路在上電時可以看作是反相器的輸出端打進去了一個階躍信號，QCR把階躍中諧振點頻率的信號挑出來，其他沒用的踢掉，在環(huán)路增益為1的情況下整個電路趨于穩(wěn)態(tài)平衡。

模電的知識告訴我們，在QCR // inverter的組合下，這個皮爾斯振蕩器已經(jīng)具備了一個理想的振蕩電路中的兩大網(wǎng)絡（選頻+放大）。貌似振蕩器中的R1和C1//C2沒有什么卵用啊。且慢，這個R1和C1//C2，正是這個電路中最美妙的地方。

把R1與C1//C2單獨抽出來配合反相器的電路組合貌似并不好理解，假如我們換種方式呢？

（圖中引進R’是為了方便理解反相器中的loop voltage gain）

右邊的運放電路除了反相結構本身提供的-180°相移外，R-C組合也提供了額外的相位延遲。更加奇妙的是這個電路組合在設計得當?shù)那闆r下能夠根據(jù)實際電路中各元件的誤差自動調(diào)整相移大小與反相結構相互匹配（當然了諧振頻率也會有少許改變）晶振原理，進而保證整個loop的相移滿足條件1。這個“自動調(diào)整”的過程推導起來很占篇幅，在這里略過不表。

在上面的圖中，還有一個很巧妙的地方，即R1是并聯(lián)在反相器的輸入輸出端的。這個小小的電阻和反相器構成了一個反饋通路，進而使得人們能將各種模擬電路的分析設計方法用在這樣一個邏輯門電路上，比如通過反饋的方法提高反相器的線性度。在這里將現(xiàn)實電路中反相器的非理想特性引入設計考慮的同時，卻又能使電路圖保持簡潔易懂。

實際的MCU振蕩電路是“Isolated” Pierce-Gate Oscillator，要考慮的因素比這個理論模型復雜得多，但根本原理都是一樣的。振蕩電路輸出的波形，通過下一級的時鐘發(fā)生電路（Clock Generator）進行整形調(diào)整后，得到具有穩(wěn)定形狀的矩形信號并輸出至時鐘樹，作用于整個MCU的同步邏輯。

文章由啟和科技編輯