Freqüentemente comparamos o oscilador de cristal ao coração do circuito digital, porque todo o trabalho do circuito digital é inseparável do sinal do relógio, e o oscilador de cristal controla diretamente todo o sistema. Se o oscilador de cristal não funcionar, todo o sistema ficará paralisado, portanto o oscilador de cristal é o pré-requisito para que o circuito digital comece a funcionar.

O oscilador de cristal, como costumamos dizer, é um oscilador de cristal de quartzo e um ressonador de cristal de quartzo. Ambos são feitos do efeito piezoelétrico dos cristais de quartzo. A aplicação de um campo elétrico aos dois eletrodos de um cristal de quartzo causa deformação mecânica do cristal, enquanto a aplicação de pressão mecânica em ambos os lados causa a ocorrência de um campo elétrico no cristal. E ambos os fenômenos são reversíveis. Usando esta propriedade, tensões alternadas são aplicadas em ambos os lados do cristal e o wafer vibra mecanicamente, além de gerar campos elétricos alternados. Este tipo de vibração e campo elétrico são geralmente pequenos, mas em uma certa frequência, a amplitude aumentará significativamente, o que é ressonância piezoelétrica, semelhante à ressonância de loop LC que comumente vemos.

Sendo o coração do circuito digital, como o oscilador de cristal desempenha um papel nos produtos inteligentes? Casas inteligentes, como ar condicionado, cortinas, segurança, monitoramento e outros produtos, todos precisam de módulo de transmissão sem fio, através do protocolo Bluetooth, WIFI ou ZIGBEE, o módulo de uma extremidade à outra, ou diretamente através do controle do telefone móvel, e o módulo sem fio é o componente principal, afetando a estabilidade de todo o sistema, então escolha o sistema para usar o oscilador de cristal. Determina o sucesso ou falha de circuitos digitais.

Devido à importância do oscilador de cristal no circuito digital, precisamos ter cuidado ao usar e projetar:

1. Existem cristais de quartzo no oscilador de cristal, que são fáceis de causar quebra e danos ao cristal de quartzo quando são impactados ou derrubados pelo lado de fora, e então o oscilador de cristal não pode ser vibrado. Portanto, a instalação confiável do oscilador de cristal deve ser considerada no projeto do circuito, e sua posição não deve ser próxima à borda da placa e ao invólucro do equipamento, tanto quanto possível.

2. Preste atenção à temperatura de soldagem ao soldar manualmente ou à máquina. A vibração do cristal é sensível à temperatura, a temperatura de soldagem não deve ser muito alta e o tempo de aquecimento deve ser o mais curto possível.

O layout razoável do oscilador de cristal pode suprimir a interferência de radiação do sistema.

1. Descrição do problema

O produto é uma câmera de campo, que consiste em cinco partes internas: placa de controle central, placa do sensor, câmera, cartão de memória SD e bateria. O invólucro é de plástico e a pequena placa possui apenas duas interfaces: interface de alimentação externa DC5V e interface USB para transmissão de dados. Após o teste de radiação, descobriu-se que há um problema de radiação de ruído harmônico de cerca de 33 MHz.

Os dados de teste originais são os seguintes:

2. Analise o problema

Este produto tem estrutura de plástico, material sem blindagem, todo o teste apenas cabo de alimentação e cabo USB fora do invólucro, é o ponto de frequência de interferência irradiado pelo cabo de alimentação e cabo USB? Portanto, as seguintes etapas são executadas para testar:

(1) Adicione anel magnético apenas no cabo de alimentação, resultados do teste: a melhoria não é óbvia;

(2) Adicione apenas anel magnético no cabo USB, resultados do teste: a melhoria ainda não é óbvia;

(3) Adicione um anel magnético ao cabo USB e ao cabo de alimentação, resultados do teste: a melhoria é óbvia, a frequência geral de interferência diminuiu.

Pode-se observar pelo exposto que os pontos de frequência de interferência são extraídos das duas interfaces, o que não é problema da interface de alimentação ou da interface USB, mas sim dos pontos de frequência de interferência interna acoplados às duas interfaces. Blindar apenas uma interface não pode resolver o problema.

Através da medição de campo próximo, verifica-se que um oscilador de cristal de 32,768 KHz da placa de controle central gera forte radiação espacial, o que faz com que os cabos circundantes e o GND acoplem o ruído harmônico de 32,768 KHz, que é então acoplado e irradiado através do cabo USB da interface e cabo de alimentação. Os problemas do oscilador de cristal são causados ​​pelos dois problemas a seguir:

(1) A vibração do cristal está muito próxima da borda da placa, o que é fácil de causar ruído de radiação de vibração do cristal.

(2) Há uma linha de sinal sob o oscilador de cristal, que é fácil de levar ao ruído harmônico do oscilador de cristal de acoplamento da linha de sinal.

(3) O elemento do filtro é colocado sob o oscilador de cristal, e o capacitor do filtro e a resistência correspondente não são dispostos de acordo com a direção do sinal, o que piora o efeito de filtragem do elemento do filtro.

3, a solução

De acordo com a análise, são obtidas as seguintes contramedidas:

(1) A capacitância do filtro e a resistência correspondente do cristal próximo ao chip da CPU são preferencialmente colocadas longe da borda da placa;

(2) Lembre-se de não colocar aterramento na área de colocação do cristal e na área de projeção abaixo;

(3) A capacitância do filtro e a resistência correspondente do cristal são organizadas de acordo com a direção do sinal e colocadas de forma organizada e compacta perto do cristal;

(4) O cristal é colocado próximo ao chip e a linha entre os dois é tão curta e reta quanto possível.

4. Conclusão

Hoje em dia, a frequência do clock do oscilador de cristal de muitos sistemas é alta, a energia harmônica de interferência é forte; Os harmônicos de interferência não são apenas transmitidos pelas linhas de entrada e saída, mas também irradiados do espaço. Se o layout não for razoável, é fácil causar um forte problema de radiação de ruído e é difícil resolvê-lo por outros métodos. Portanto, é muito importante para o layout do oscilador de cristal e da linha de sinal CLK no layout da placa PCB.

Nota sobre o design de PCB do oscilador de cristal

(1) O capacitor de acoplamento deve estar o mais próximo possível do pino da fonte de alimentação do oscilador de cristal. A posição deve ser colocada em ordem: de acordo com a direção de entrada da fonte de alimentação, o capacitor de menor capacidade deve ser colocado em ordem do maior para o menor.

(2) O invólucro do oscilador de cristal deve ser aterrado, o que pode irradiar o oscilador de cristal para fora e também pode proteger a interferência de sinais externos no oscilador de cristal.

(3) Não conecte sob o oscilador de cristal para garantir que o piso esteja completamente coberto. Ao mesmo tempo, não conecte a menos de 300mil do oscilador de cristal, para evitar que o oscilador de cristal interfira no desempenho de outras fiações, dispositivos e camadas.

(4) A linha do sinal do relógio deve ser a mais curta possível, a linha deve ser mais larga e o equilíbrio deve ser encontrado no comprimento da fiação e longe da fonte de calor.

(5) O oscilador de cristal não deve ser colocado na borda da placa PCB, especialmente no design da placa.