Spesso paragoniamo l'oscillatore a cristallo al cuore del circuito digitale, perché tutto il lavoro del circuito digitale è inseparabile dal segnale di clock e l'oscillatore a cristallo controlla direttamente l'intero sistema. Se l'oscillatore a cristallo non funziona, l'intero sistema sarà paralizzato, quindi l'oscillatore a cristallo è il prerequisito affinché il circuito digitale inizi a funzionare.

L'oscillatore a cristallo, come spesso diciamo, è un oscillatore a cristallo di quarzo e un risuonatore a cristallo di quarzo. Entrambi sono realizzati grazie all'effetto piezoelettrico dei cristalli di quarzo. L'applicazione di un campo elettrico ai due elettrodi di un cristallo di quarzo provoca la deformazione meccanica del cristallo, mentre l'applicazione di una pressione meccanica su entrambi i lati provoca la formazione di un campo elettrico nel cristallo. Ed entrambi questi fenomeni sono reversibili. Utilizzando questa proprietà, vengono applicate tensioni alternate su entrambi i lati del cristallo e il wafer vibra meccanicamente, oltre a generare campi elettrici alternati. Questo tipo di vibrazione e campo elettrico sono generalmente piccoli, ma a una certa frequenza l'ampiezza sarà significativamente aumentata, che è una risonanza piezoelettrica, simile alla risonanza del circuito LC che vediamo comunemente.

Essendo il cuore del circuito digitale, che ruolo gioca l'oscillatore a cristallo nei prodotti intelligenti? Casa intelligente come aria condizionata, tende, sicurezza, monitoraggio e altri prodotti, tutti necessitano di un modulo di trasmissione wireless, tramite Bluetooth, WIFI o protocollo ZIGBEE, il modulo da un'estremità all'altra o direttamente tramite il controllo del telefono cellulare e il modulo wireless è il componente principale, che influisce sulla stabilità dell'intero sistema, quindi scegli il sistema per utilizzare l'oscillatore a cristallo. Determina il successo o il fallimento dei circuiti digitali.

A causa dell'importanza dell'oscillatore a cristallo nel circuito digitale, dobbiamo prestare attenzione durante l'utilizzo e la progettazione:

1. Nell'oscillatore a cristallo sono presenti cristalli di quarzo, che possono facilmente causare rotture e danni al cristallo di quarzo quando vengono colpiti o lasciati cadere dall'esterno, quindi l'oscillatore a cristallo non può vibrare. Pertanto, nella progettazione del circuito si dovrebbe considerare l'installazione affidabile dell'oscillatore a cristallo e la sua posizione non dovrebbe essere il più vicino possibile al bordo della piastra e al guscio dell'apparecchiatura.

2. Prestare attenzione alla temperatura di saldatura durante la saldatura a mano o a macchina. La vibrazione del cristallo è sensibile alla temperatura, la temperatura di saldatura non dovrebbe essere troppo alta e il tempo di riscaldamento dovrebbe essere il più breve possibile.

La disposizione ragionevole dell'oscillatore a cristallo può sopprimere l'interferenza delle radiazioni del sistema.

1. Descrizione del problema

Il prodotto è una telecamera da campo composta da cinque parti interne: scheda di controllo principale, scheda sensore, fotocamera, scheda di memoria SD e batteria. Il guscio è di plastica e la piccola scheda ha solo due interfacce: interfaccia di alimentazione esterna DC5V e interfaccia USB per la trasmissione dei dati. Dopo il test di radiazione, si è riscontrato che esiste un problema di radiazione di rumore armonico di circa 33 MHz.

I dati del test originale sono i seguenti:

2. Analizzare il problema

Questo prodotto ha la struttura del guscio del guscio in plastica, materiale non schermante, l'intero test prevede solo il cavo di alimentazione e il cavo USB fuori dal guscio, è il punto di frequenza di interferenza irradiato dal cavo di alimentazione e dal cavo USB? Pertanto, per testare vengono eseguiti i seguenti passaggi:

(1) Aggiungere l'anello magnetico solo sul cavo di alimentazione, risultati del test: il miglioramento non è evidente;

(2) Aggiungere solo l'anello magnetico sul cavo USB, risultati del test: il miglioramento non è ancora evidente;

(3) Aggiungere un anello magnetico sia al cavo USB che al cavo di alimentazione, risultati del test: il miglioramento è evidente, la frequenza complessiva dell'interferenza è diminuita.

Da quanto sopra si può vedere che i punti di frequenza di interferenza vengono portati fuori dalle due interfacce, il che non è un problema dell'interfaccia di alimentazione o dell'interfaccia USB, ma dei punti di frequenza di interferenza interni accoppiati alle due interfacce. Schermare solo un'interfaccia non può risolvere il problema.

Attraverso la misurazione del campo vicino, si è scoperto che un oscillatore a cristallo da 32,768 KHz proveniente dalla scheda di controllo principale genera una forte radiazione spaziale, che fa sì che i cavi circostanti e GND accoppiati abbiano un rumore armonico da 32,768 KHz, che viene quindi accoppiato e irradiato attraverso il cavo USB dell'interfaccia e cavo di alimentazione. I problemi dell'oscillatore a cristallo sono causati dai due problemi seguenti:

(1) La vibrazione del cristallo è troppo vicina al bordo della piastra, il che può facilmente causare rumore di radiazione della vibrazione del cristallo.

(2) C'è una linea di segnale sotto l'oscillatore a cristallo, che è facile da portare al rumore armonico dell'oscillatore a cristallo di accoppiamento della linea di segnale.

(3) L'elemento filtrante è posizionato sotto l'oscillatore a cristallo e il condensatore del filtro e la resistenza di adattamento non sono disposti in base alla direzione del segnale, il che peggiora l'effetto filtrante dell'elemento filtrante.

3, la soluzione

Dall’analisi si ottengono le seguenti contromisure:

(1) La capacità del filtro e la resistenza di adattamento del cristallo vicino al chip della CPU sono preferibilmente posizionate lontano dal bordo della scheda;

(2) Ricordarsi di non stendere terra nell'area di posizionamento dei cristalli e nell'area di proiezione sottostante;

(3) La capacità del filtro e la resistenza di adattamento del cristallo sono disposte in base alla direzione del segnale e posizionate in modo ordinato e compatto vicino al cristallo;

(4) Il cristallo è posizionato vicino al chip e la linea tra i due è quanto più corta e diritta possibile.

4. Conclusione

Al giorno d'oggi la frequenza dell'orologio dell'oscillatore a cristallo di molti sistemi è elevata, l'energia armonica di interferenza è forte; Le armoniche di interferenza non vengono solo trasmesse dalle linee di ingresso e di uscita, ma anche irradiate dallo spazio. Se la disposizione non è ragionevole, è facile causare un forte problema di radiazione acustica ed è difficile risolverlo con altri metodi. Pertanto, è molto importante per il layout dell'oscillatore a cristallo e della linea del segnale CLK nel layout della scheda PCB.

Nota sulla progettazione PCB dell'oscillatore a cristallo

(1) Il condensatore di accoppiamento dovrebbe essere il più vicino possibile al pin di alimentazione dell'oscillatore a cristallo. La posizione deve essere ordinata: in base alla direzione di afflusso dell'alimentatore, il condensatore con la capacità minore deve essere disposto in ordine dal più grande al più piccolo.

(2) Il guscio dell'oscillatore a cristallo deve essere messo a terra, il che può irradiare l'oscillatore a cristallo verso l'esterno e può anche schermare l'interferenza di segnali esterni sull'oscillatore a cristallo.

(3) Non cablare sotto l'oscillatore a cristallo per garantire che il pavimento sia completamente coperto. Allo stesso tempo, non collegare entro 300 mil dall'oscillatore a cristallo, in modo da evitare che l'oscillatore a cristallo interferisca con le prestazioni di altri cablaggi, dispositivi e livelli.

(4) La linea del segnale dell'orologio dovrebbe essere la più corta possibile, la linea dovrebbe essere più larga e l'equilibrio dovrebbe essere trovato nella lunghezza del cablaggio e lontano dalla fonte di calore.

(5) L'oscillatore a cristallo non deve essere posizionato sul bordo della scheda PCB, soprattutto nel design della scheda.