A menudo comparamos el oscilador de cristal con el corazón del circuito digital, porque todo el trabajo del circuito digital es inseparable de la señal del reloj y el oscilador de cristal controla directamente todo el sistema. Si el oscilador de cristal no funciona, todo el sistema quedará paralizado, por lo que el oscilador de cristal es el requisito previo para que el circuito digital comience a funcionar.

El oscilador de cristal, como solemos decir, es un oscilador de cristal de cuarzo y un resonador de cristal de cuarzo. Ambos están formados por el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo. La aplicación de un campo eléctrico a los dos electrodos de un cristal de cuarzo provoca la deformación mecánica del cristal, mientras que la aplicación de presión mecánica en ambos lados provoca que se produzca un campo eléctrico en el cristal. Y ambos fenómenos son reversibles. Utilizando esta propiedad, se aplican voltajes alternos a ambos lados del cristal y la oblea vibra mecánicamente, además de generar campos eléctricos alternos. Este tipo de vibración y campo eléctrico son generalmente pequeños, pero a cierta frecuencia, la amplitud aumentará significativamente, lo cual es una resonancia piezoeléctrica, similar a la resonancia de bucle LC que vemos comúnmente.

Como corazón del circuito digital, ¿qué papel desempeña el oscilador de cristal en los productos inteligentes? Los hogares inteligentes, como aire acondicionado, cortinas, seguridad, monitoreo y otros productos, todos necesitan un módulo de transmisión inalámbrica, a través del protocolo Bluetooth, WIFI o ZIGBEE, el módulo de un extremo al otro, o directamente a través del control del teléfono móvil, y El módulo inalámbrico es el componente central y afecta la estabilidad de todo el sistema, así que elija el sistema para utilizar el oscilador de cristal. Determina el éxito o fracaso de los circuitos digitales.

Debido a la importancia del oscilador de cristal en el circuito digital, debemos tener cuidado al usar y diseñar:

1. Hay cristales de cuarzo en el oscilador de cristal, lo que es fácil de causar roturas y daños al cristal de cuarzo cuando es impactado o caído desde el exterior, y luego el oscilador de cristal no puede vibrar. Por lo tanto, en el diseño del circuito se debe considerar la instalación confiable del oscilador de cristal, y su posición no debe estar lo más cerca posible del borde de la placa y de la carcasa del equipo.

2. Preste atención a la temperatura de soldadura al soldar a mano o a máquina. La vibración del cristal es sensible a la temperatura, la temperatura de soldadura no debe ser demasiado alta y el tiempo de calentamiento debe ser lo más corto posible.

Una disposición razonable del oscilador de cristal puede suprimir la interferencia de radiación del sistema.

1. Descripción del problema

El producto es una cámara de campo, que consta de cinco partes en su interior: placa de control central, placa de sensor, cámara, tarjeta de memoria SD y batería. La carcasa es de plástico y la placa pequeña tiene solo dos interfaces: interfaz de alimentación externa DC5V e interfaz USB para transmisión de datos. Después de la prueba de radiación, se descubre que hay un problema de radiación de ruido armónico de aproximadamente 33 MHz.

Los datos de prueba originales son los siguientes:

2. Analiza el problema

La estructura de la carcasa de este producto es una carcasa de plástico, material no protector, toda la prueba solo saca el cable de alimentación y el cable USB fuera de la carcasa, ¿es el punto de frecuencia de interferencia el que irradia el cable de alimentación y el cable USB? Por lo tanto, se toman los siguientes pasos para realizar la prueba:

(1) Agregue un anillo magnético solo al cable de alimentación; resultados de la prueba: la mejora no es obvia;

(2) Solo agregue un anillo magnético al cable USB, resultados de la prueba: la mejora aún no es obvia;

(3) Agregue un anillo magnético tanto al cable USB como al cable de alimentación; resultados de la prueba: la mejora es obvia, la frecuencia general de interferencia disminuyó.

De lo anterior se puede ver que los puntos de frecuencia de interferencia se extraen de las dos interfaces, lo cual no es un problema de la interfaz de alimentación o la interfaz USB, sino de los puntos de frecuencia de interferencia internos acoplados a las dos interfaces. Proteger sólo una interfaz no puede resolver el problema.

A través de la medición de campo cercano, se descubre que un oscilador de cristal de 32.768 KHz de la placa de control central genera una fuerte radiación espacial, lo que hace que los cables circundantes y GND se acoplen a un ruido armónico de 32.768 KHz, que luego se acopla y se irradia a través del cable de interfaz USB y cable de alimentación. Los problemas del oscilador de cristal son causados ​​por los dos problemas siguientes:

(1) La vibración del cristal está demasiado cerca del borde de la placa, lo que es fácil de provocar ruido de radiación por vibración del cristal.

(2) Hay una línea de señal debajo del oscilador de cristal, que es fácil de provocar el ruido armónico del oscilador de cristal de acoplamiento de la línea de señal.

(3) El elemento filtrante se coloca debajo del oscilador de cristal y el condensador del filtro y la resistencia correspondiente no están dispuestos de acuerdo con la dirección de la señal, lo que empeora el efecto de filtrado del elemento filtrante.

3, la solución

Según el análisis se obtienen las siguientes contramedidas:

(1) La capacitancia del filtro y la resistencia correspondiente del cristal cerca del chip de la CPU se colocan preferentemente lejos del borde de la placa;

(2) Recuerde no colocar tierra en el área de colocación del cristal ni en el área de proyección debajo;

(3) La capacitancia del filtro y la resistencia correspondiente del cristal se organizan de acuerdo con la dirección de la señal y se colocan de forma ordenada y compacta cerca del cristal;

(4) El cristal se coloca cerca del chip y la línea entre los dos es lo más corta y recta posible.

4. Conclusión

Hoy en día, la frecuencia del reloj del oscilador de cristal de muchos sistemas es alta y la energía armónica de interferencia es fuerte; Los armónicos de interferencia no sólo se transmiten desde las líneas de entrada y salida, sino que también se irradian desde el espacio. Si el diseño no es razonable, es fácil causar un fuerte problema de radiación de ruido y es difícil de resolver con otros métodos. Por lo tanto, es muy importante para el diseño del oscilador de cristal y la línea de señal CLK en el diseño de la placa PCB.

Nota sobre el diseño de PCB del oscilador de cristal

(1) El condensador de acoplamiento debe estar lo más cerca posible del pin de fuente de alimentación del oscilador de cristal. La posición debe colocarse en orden: según la dirección de entrada de la fuente de alimentación, el condensador con la capacidad más pequeña debe colocarse en orden de mayor a menor.

(2) La carcasa del oscilador de cristal debe estar conectada a tierra, lo que puede irradiar el oscilador de cristal hacia afuera y también puede proteger la interferencia de señales externas en el oscilador de cristal.

(3) No conecte debajo del oscilador de cristal para asegurarse de que el piso esté completamente cubierto. Al mismo tiempo, no conecte a menos de 300 mil del oscilador de cristal, para evitar que el oscilador de cristal interfiera con el rendimiento de otros cables, dispositivos y capas.

(4) La línea de la señal del reloj debe ser lo más corta posible, la línea debe ser más ancha y el equilibrio debe encontrarse en la longitud del cableado y lejos de la fuente de calor.

(5) El oscilador de cristal no debe colocarse en el borde de la placa PCB, especialmente en el diseño de la tarjeta de la placa.