نوسانگر کریستالی کلید در طراحی مدار دیجیتال است، معمولا در طراحی مدار از نوسانگر کریستالی به عنوان قلب مدار دیجیتال استفاده می شود، تمام کارهای مدار دیجیتال از سیگنال ساعت جدانشدنی است و فقط نوسانگر کریستالی دکمه کلید است. که مستقیماً شروع عادی کل سیستم را کنترل می کند، می توان گفت که در صورت وجود طراحی مدار دیجیتال می توان نوسان ساز کریستالی را مشاهده کرد.
I. نوسانگر کریستالی چیست؟
نوسانگر کریستال به طور کلی به دو نوع نوسانگر کریستال کوارتز و تشدید کننده کریستال کوارتز اشاره دارد و همچنین می توان آن را مستقیماً نوسانگر کریستال نامید. هر دو با استفاده از اثر پیزوالکتریک کریستال های کوارتز ساخته شده اند.
نوسان ساز کریستال به این صورت عمل می کند: وقتی میدان الکتریکی به دو الکترود کریستال اعمال شود، کریستال دچار تغییر شکل مکانیکی می شود و برعکس، اگر فشار مکانیکی به دو سر کریستال وارد شود، کریستال تولید می کند. یک میدان الکتریکی این پدیده برگشت پذیر است، بنابراین با استفاده از این مشخصه کریستال، افزودن ولتاژهای متناوب به هر دو انتهای کریستال، تراشه باعث ایجاد ارتعاش مکانیکی و در عین حال میدان های الکتریکی متناوب می شود. با این حال، این ارتعاش و میدان الکتریکی تولید شده توسط کریستال عموماً کوچک است، اما تا زمانی که در فرکانس معینی باشد، دامنه به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد، مشابه رزونانس حلقه LC که اغلب ما طراحان مدار می‌بینیم.
II. طبقه بندی نوسانات کریستالی (فعال و غیرفعال)
① نوسانگر کریستال غیرفعال
کریستال غیرفعال یک کریستال است، به طور کلی یک دستگاه 2 پین غیر قطبی (بعضی از کریستال های غیرفعال یک پین ثابت و بدون قطبیت دارند).
نوسان ساز کریستالی غیرفعال معمولاً برای تولید سیگنال نوسانی (سیگنال موج سینوسی) به مدار ساعتی که توسط خازن بار تشکیل شده است، نیاز دارد.
② نوسانگر کریستالی فعال
یک نوسان ساز کریستالی فعال یک نوسان ساز است که معمولاً دارای 4 پین است. نوسانگر کریستالی فعال برای تولید سیگنال موج مربعی به نوسانگر داخلی CPU نیاز ندارد. منبع تغذیه کریستالی فعال یک سیگنال ساعت تولید می کند.
سیگنال نوسانگر کریستال فعال پایدار است، کیفیت بهتر است، و حالت اتصال نسبتا ساده است، خطای دقت کوچکتر از نوسانگر کریستال غیرفعال است و قیمت آن گرانتر از نوسانگر کریستال غیرفعال است.
III. پارامترهای اساسی نوسانگر کریستالی
پارامترهای اساسی نوسانگر کریستال عمومی عبارتند از: دمای کار، مقدار دقت، ظرفیت تطبیق، فرم بسته، فرکانس هسته و غیره.
فرکانس هسته نوسانگر کریستالی: انتخاب فرکانس کریستالی کلی به الزامات اجزای فرکانس بستگی دارد، مانند MCU به طور کلی محدوده ای است که اکثر آنها از 4M تا ده ها M هستند.
دقت ارتعاش کریستال: دقت ارتعاش کریستال به طور کلی ± 5PPM، ± 10PPM، ± 20PPM، ± 50PPM و غیره است، تراشه های ساعت با دقت بالا به طور کلی در محدوده ± 5PPM هستند و استفاده عمومی حدود ± 20PPM را انتخاب می کند.
ظرفیت تطبیق نوسانگر کریستالی: معمولاً با تنظیم مقدار ظرفیت تطبیق می توان فرکانس هسته نوسانگر کریستالی را تغییر داد و در حال حاضر از این روش برای تنظیم نوسان ساز کریستالی با دقت بالا استفاده می شود.
در سیستم مدار، خط سیگنال ساعت با سرعت بالا بیشترین اولویت را دارد. خط ساعت یک سیگنال حساس است و هرچه فرکانس بالاتر باشد، خط کوتاه‌تر مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که اعوجاج سیگنال حداقل است.
اکنون در بسیاری از مدارها، فرکانس ساعت کریستالی سیستم بسیار بالا است، بنابراین انرژی تداخل با هارمونیک ها نیز قوی است، هارمونیک ها از دو خط ورودی و خروجی و همچنین از تابش فضایی به دست می آیند که منجر به اگر چیدمان PCB نوسانگر کریستالی معقول نباشد، به راحتی یک مشکل تشعشع سرگردان قوی ایجاد می کند و پس از تولید، حل آن با روش های دیگر دشوار است. بنابراین، برای چیدمان خط سیگنال نوسان ساز کریستالی و CLK زمانی که برد PCB قرار می گیرد بسیار مهم است.