ما اغلب نوسان ساز کریستالی را با قلب مدار دیجیتال مقایسه می کنیم، زیرا تمام کار مدار دیجیتال از سیگنال ساعت جدانشدنی است و نوسان ساز کریستالی مستقیماً کل سیستم را کنترل می کند. اگر نوسان ساز کریستالی کار نکند، کل سیستم فلج می شود، بنابراین نوسان ساز کریستالی پیش نیاز شروع به کار مدار دیجیتال است.

نوسان ساز کریستالی، همانطور که اغلب می گوییم، یک نوسان ساز کریستال کوارتز و یک تشدید کننده کریستال کوارتز است. هر دو از اثر پیزوالکتریک کریستال های کوارتز ساخته شده اند. اعمال میدان الکتریکی به دو الکترود یک کریستال کوارتز باعث تغییر شکل مکانیکی کریستال می شود، در حالی که اعمال فشار مکانیکی به هر دو طرف باعث ایجاد میدان الکتریکی در کریستال می شود. و هر دوی این پدیده ها برگشت پذیر هستند. با استفاده از این ویژگی، ولتاژهای متناوب به دو طرف کریستال اعمال می شود و ویفر به صورت مکانیکی ارتعاش می کند و همچنین میدان های الکتریکی متناوب ایجاد می کند. این نوع ارتعاش و میدان الکتریکی به طور کلی کوچک هستند، اما در یک فرکانس خاص، دامنه به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، که تشدید پیزوالکتریک است، مشابه رزونانس حلقه LC که معمولاً می‌بینیم.

به عنوان قلب مدار دیجیتال، نوسانگر کریستالی چگونه در محصولات هوشمند نقش دارد؟ خانه های هوشمند مانند تهویه مطبوع، پرده ها، امنیت، نظارت و سایر محصولات، همگی به ماژول انتقال بی سیم نیاز دارند، آنها از طریق پروتکل بلوتوث، WIFI یا ZIGBEEE، ماژول از یک سر به سر دیگر یا مستقیماً از طریق کنترل تلفن همراه و ماژول بی سیم جزء اصلی است که بر پایداری کل سیستم تأثیر می گذارد، بنابراین سیستمی را برای استفاده از نوسانگر کریستالی انتخاب کنید. موفقیت یا شکست مدارهای دیجیتال را تعیین می کند.

با توجه به اهمیت اسیلاتور کریستالی در مدار دیجیتال، باید در استفاده و طراحی دقت کنیم:

1. کریستال های کوارتز در نوسان ساز کریستال وجود دارد که به راحتی باعث شکستگی و آسیب کریستال کوارتز در اثر ضربه یا افتادن آن توسط بیرون می شود و سپس نوسانگر کریستال نمی تواند لرزش داشته باشد. بنابراین نصب مطمئن نوسانگر کریستالی باید در طراحی مدار مورد توجه قرار گیرد و موقعیت آن تا حد امکان به لبه صفحه و پوسته تجهیزات نزدیک نباشد.

2. هنگام جوشکاری با دست یا ماشین به دمای جوش توجه کنید. ارتعاش کریستال به دما حساس است، دمای جوش نباید خیلی زیاد باشد و زمان گرم شدن باید تا حد امکان کوتاه باشد.

طرح معقول نوسانگر کریستالی می تواند تداخل تابش سیستم را سرکوب کند.

1. شرح مشکل

این محصول یک دوربین میدانی است که از پنج قسمت داخلی تشکیل شده است: برد کنترل مرکزی، برد سنسور، دوربین، کارت حافظه SD و باتری. پوسته پوسته پلاستیکی است و برد کوچک تنها دو رابط دارد: رابط برق خارجی DC5V و رابط USB برای انتقال داده. پس از آزمایش تشعشع، مشخص شد که مشکل تشعشع نویز هارمونیک 33 مگاهرتز وجود دارد.

داده های اصلی آزمایش به شرح زیر است:

2. مشکل را تجزیه و تحلیل کنید

این پوسته محصول پوسته پلاستیکی، مواد غیر محافظ، کل تست فقط سیم برق و کابل USB از پوسته خارج می شود، آیا نقطه فرکانس تداخل توسط سیم برق و کابل USB تابش می شود؟ بنابراین، مراحل زیر برای آزمایش انجام می شود:

(1) حلقه مغناطیسی را فقط روی سیم برق اضافه کنید، نتایج آزمایش: بهبود واضح نیست.

(2) فقط حلقه مغناطیسی را روی کابل USB اضافه کنید، نتایج آزمایش: بهبود هنوز مشخص نیست.

(3) حلقه مغناطیسی را هم به کابل USB و هم به سیم برق اضافه کنید، نتایج آزمایش: بهبود واضح است، فرکانس کلی تداخل کاهش یافته است.

از مطالب بالا می توان دریافت که نقاط فرکانس تداخل از دو اینترفیس خارج می شوند که مشکل رابط برق یا رابط USB نیست، بلکه نقاط فرکانس تداخل داخلی کوپل شده به دو اینترفیس است. محافظت از تنها یک رابط نمی تواند مشکل را حل کند.

از طریق اندازه گیری میدان نزدیک، مشخص شد که یک نوسان ساز کریستالی 32.768 کیلوهرتز از برد کنترل هسته، تشعشع فضایی قوی ایجاد می کند، که باعث می شود کابل های اطراف و نویز هارمونیک 32.768 کیلوهرتز GND جفت شوند، که سپس از طریق کابل رابط USB و تابش می شود. سیم برق مشکلات نوسانگر کریستالی ناشی از دو مشکل زیر است:

(1) ارتعاش کریستال بسیار نزدیک به لبه صفحه است، که به راحتی منجر به نویز تشعشع ارتعاش کریستالی می شود.

(2) یک خط سیگنال در زیر نوسانگر کریستالی وجود دارد که به راحتی منجر به نویز هارمونیک نوسانگر کریستالی جفت کننده خط سیگنال می شود.

(3) عنصر فیلتر در زیر نوسانگر کریستالی قرار می گیرد و خازن فیلتر و مقاومت مطابق با جهت سیگنال مرتب نشده اند که باعث بدتر شدن اثر فیلتر عنصر فیلتر می شود.

3، راه حل

با توجه به تجزیه و تحلیل، اقدامات متقابل زیر به دست آمده است:

(1) ظرفیت فیلتر و مقاومت مطابق کریستال نزدیک به تراشه CPU ترجیحاً دور از لبه برد قرار می گیرد.

(2) به یاد داشته باشید که زمین را در ناحیه قرار دادن کریستال و ناحیه برآمدگی زیر آن قرار ندهید.

(3) ظرفیت فیلتر و مقاومت مطابق کریستال با توجه به جهت سیگنال مرتب شده و به طور منظم و فشرده در نزدیکی کریستال قرار می گیرد.

(4) کریستال در نزدیکی تراشه قرار می گیرد و خط بین این دو تا حد امکان کوتاه و مستقیم است.

4. نتیجه گیری

امروزه بسیاری از سیستم های نوسان ساز کریستالی فرکانس ساعت بالا است، انرژی هارمونیک تداخل قوی است. هارمونیک های تداخلی نه تنها از خطوط ورودی و خروجی منتقل می شوند، بلکه از فضا نیز تابش می شوند. اگر چیدمان معقول نباشد، ایجاد مشکل تشعشع نویز قوی آسان است و حل آن با روش های دیگر دشوار است. بنابراین، برای چیدمان نوسانگر کریستالی و خط سیگنال CLK در چیدمان برد PCB بسیار مهم است.

نکته در مورد طراحی PCB نوسانگر کریستالی

(1) خازن کوپلینگ باید تا حد امکان به پین ​​منبع تغذیه نوسانگر کریستالی نزدیک باشد. موقعیت باید به ترتیب قرار گیرد: با توجه به جهت ورودی منبع تغذیه، خازن با کمترین ظرفیت باید به ترتیب از بزرگترین به کوچکترین قرار گیرد.

(2) پوسته نوسان ساز کریستالی باید به زمین باشد، که می تواند نوسانگر کریستالی را به بیرون تابش کند، و همچنین می تواند از تداخل سیگنال های خارجی بر روی نوسانگر کریستالی محافظت کند.

(3) برای اطمینان از اینکه کف کاملاً پوشانده شده است، زیر نوسانگر کریستالی سیم کشی نکنید. در عین حال، در فاصله 300 میلی متری نوسانگر کریستالی سیم کشی نکنید، تا از تداخل نوسانگر کریستالی با عملکرد سیم کشی، دستگاه ها و لایه های دیگر جلوگیری شود.

(4) خط سیگنال ساعت باید تا حد امکان کوتاه باشد، خط باید گسترده تر باشد و تعادل باید در طول سیم کشی و دور از منبع گرما باشد.

(5) اسیلاتور کریستالی نباید روی لبه برد PCB قرار گیرد، به خصوص در طراحی کارت برد.