如果对于一个用作时钟源的多谐振荡器(即方波振荡器)进行理论分析。则可以利用一个如图1的分析模型。电路主要包含2个部分：放大器G(f)和反馈回路H(f)。
其中，反馈回路H(f)既可以利用一只石英晶体担当。也可以利用一只陶瓷谐振器担当，它们都具有频率选择作用的(实物图片如图2所示)。这里以应用更为广泛的石英晶体为例(其特征分析在后面马上有介绍)。而放大器G(f)既可以由一个同相放大电路担当。也可以由一个反相放大电路担当。另外。噪声作为振荡电路起振的原始激励信号。或者说，振荡器的工作还要依赖于噪声信号的帮忙。噪声信号可以是晶(a)石英晶体内芯和封装实物图片(b)陶瓷谐振器实物图片体管和电阻器件的热噪声、外来电磁辐射在输入端上形成的杂波噪声或电源刚刚接通时的瞬态噪声。
如图3所示，当采用一个同相放大电路A1担当放大器时，就构成了一个串联谐振式振荡器。这时的反馈回路表现为一只纯电阻性元件R1。
如图4所示，当采用一个反相放大电路A1担当放大器时，就构成了一个并联谐振式振荡器。这时利用了石英晶体的电感特性，因此需要对地连接2只电容C1和C2。这时的反馈回路表现为一个如图4右侧所描绘的等效结构。这种振荡器形式所需要的反相放大器。非常适合利用80C51内部现有的电路实现。
其实，图4中的反相放大器A1(不要看作一只逻辑非门)，就是利用80C51芯片内部现有的3个器件等效而成的。如图5所示，构成逻辑非门的PMOS管Q1和NMOS管，以及作为工作点偏置电阻的Rf(同时也是一只直流负反馈电阻)。
作为反馈回路的石英晶体属于一种复合型器件，其内部等效电路如图6所示。其中，串联支路R1、L1和C1可以构成串联谐振回路,其谐振频率记作fs；在此基础上再配合一个并联支路CO又可以构成并联谐振回路，其谐振频率记作fa。fs和fa的值由晶体的生产工艺和切削尺寸所确定。
如果在图6所示石英晶体的两端Q1和Q2施加一个交变信号。则随着该信号频率的变化，晶体将会表现出电阻性、电容性或电感性等不同性质的负载特性。以及不同的相移特性。
如图7所示，描绘了石英晶体的阻抗一频率特性和相位一频率特性。
如表1所列，以不同方式显示了石英晶体的阻抗一频率特性和相位一频率特性。
在表2中列出了一个石英晶体在不同情况之下，其谐振频率、品质因数和等效电阻等性能参数的计算公式。
在表3中以举例方式列出了一些固有频率不同的石英晶体产品的性能参数。在图3所示的串联谐振式振荡器中，其振荡频率的值就是晶体的fs值。而在图4所示的并联谐振式振荡器中，其振荡频率的值则介于晶体的fs值和fa值之间。不过，从表3中可以看出，对于一个具体的石英晶体，其fs和fa的值往往十分接近。
对于如图5所示的CMOS反相放大器，借助于一只反馈电阻Rf，会将把工作点偏置在VDD／2之处。放大器会工作在两种不同的区域，线性区域A和非线性区域B(如图8所示)。起初信号幅度较小时，放大器的工作区域将限制在工作点附近的线性区域；而随着信号幅度的逐渐增大，放大器的工作区域也会不断向两边伸展；当信号幅度足够大时，会因为放大器工作区域伸展到非线性区域而使信号波形被截顶，从而在放大器输出端形成近似方波的周期信号。
对于如图5所示的CMOS反相放大器，其工作状态的切换大致经历了如图9所示的4个阶段：(1)偏置过程一一起初刚刚加电时，随着电源电压的爬升,放大器的工作点逐渐被偏置到VDD／2处；(2)启振过程一一在工作点被建立起来之后。放大器开始对出现在输入端上的微弱噪声信号进行放大；(3)锁定过程一一随着信号幅度的增大，放大器的工作区开始进入非线性区域，并且使信号幅度逐渐受到限制；(4)稳定状态一一当信号幅度因限制作用而无法再继续增大时，便进入了稳定的方波信号输出阶段。这时可以在80C51的XTAL2端子上，利用示波器观看到稳定的时钟脉冲信号。
为了限制放大器的输出功率，保护石英晶体，避免遭受过冲击而损坏的可能性(特别是当振荡器频率比较低的时候)，有时也进行如图10所示的电路改进。也就是在左边的典型电路基础上增加一只限流电阻R1。因为石英晶体所能承受的最大功率一般是有限制的(例如0．1W)，生产厂家通常会提供该参数。不过，大量实践证明，石英晶体因过冲击而损坏的可能性极小(尤其是当频率较高时)，因此人们会常常省略图10中的R1。
(b)陶瓷谐振器实物图片
为一个具体的单片机应用系统来设计时钟源电路时，大致应该考虑以下几个因素：
1. NMOS工艺的8051与CMOS工艺的80C51相比,在外引时钟源的接线方法上存在很大的差异。不过，NMOS的单片机早已经被淘汰，所以不再予以考虑。因此，我们这里仅仅关注CMOS工艺的80C51(及其兼容产品)即可。
2．作为单片机芯片的一项重要的性能指标，早期的8051单片机产品，其最高时钟频率为12MHz，而当今大量涌现的8051新型兼容品，工作频率不断提升,有的高达90MHz以上。单片机的时钟频率越高，其工作效率越高、处理能力越强。不过，对于普通的单片机应用项目，没有必要盲目最求高频率，而应该是“够用即可”。
3．对于一个具体的单片机应用项
目，在满足需要的前提下，其时钟频率应该尽量选取比较低的值。因为单片机时钟频率越低越利于节能，运行也越可靠，电磁兼容性也越好。
4．在一些要求精确定时的单片机项目中，需要时钟源频率有比较高的精度和稳定度。一般振荡电路的工作频率越高相对误差越小。石英晶体的性能优于陶瓷谐振器，陶瓷谐振器又远优于RC振荡器。
5．在一些不要求精确定时的单片机项目中，从降低硬件成本的角度出发，可以选取既廉价又频率连续可调的RC振荡器方式。
6．对于单片机初学者的业余制作，或者在校生的课程设计和毕业设计中，如果选取12MHz的石英晶体建立时钟源，便于延时程序的时长计算，理由是(对于标准80C51而言)一个机器周期恰好是1微秒。也可以选用6MHz的石英晶体。这时一个机器周期为2微秒。
7．对于一个需要利用串行通信接口UART,与PC微机系统进行串行通信的单片机应用项目，则应该选取11．0592MHz(或22．1184MHz)的石英晶体来建立时钟源，以便于将通信波特率设定为标称值。
8．如果目标电路板上安装了用于UART串行通信的接口器件MAX232(或ADM232等兼容型号)，还可以从该器件上获取一个160kHz的方波信号，作为单片机的时钟源。MAX232原本是一个电平转换器，主要是在RS232与TTL之间实现电平转换。其内部利用了电荷泵技术。把单-5V的电源电压提升到约±15V。由于电荷泵工作的同时需要一个内部时钟振荡器，因此可以从它的第1、3、4或5脚上均可以提取到一个约160kHz的方波信号。
9．对于时钟源外接电路在印刷电路板(PCB)上的布线要尽量缩短，并且应该靠近单片机的XTAL1和×TAL2引脚，还应该被地线包围为好。这样可以有效地改善单片机应用系统的电磁兼容性。所谓改善“电磁兼容性(EMC)”，就是降低不同的电子系统同时工作时，互相之间通过电磁辐射途径所产生的彼此干扰。这就要求每个电子系统，一是尽可能少地向外辐射电磁干扰信号，二是尽可能对外来的杂散电磁波有比较强的抵抗能力。
