เรามักจะเปรียบเทียบคริสตัลออสซิลเลเตอร์กับหัวใจของวงจรดิจิตอล เนื่องจากงานทั้งหมดของวงจรดิจิตอลไม่สามารถแยกออกจากสัญญาณนาฬิกาได้ และคริสตัลออสซิลเลเตอร์จะควบคุมทั้งระบบโดยตรง หากคริสตัลออสซิลเลเตอร์ไม่ทำงาน ทั้งระบบจะเป็นอัมพาต ดังนั้นคริสตัลออสซิลเลเตอร์จึงเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นเพื่อให้วงจรดิจิทัลเริ่มทำงาน

อย่างที่เรามักพูดกันว่าคริสตัลออสซิลเลเตอร์คือออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์และรีโซเนเตอร์คริสตัลควอตซ์ ทั้งสองทำจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกของคริสตัลควอตซ์ การใช้สนามไฟฟ้ากับขั้วไฟฟ้าทั้งสองของคริสตัลควอตซ์ทำให้เกิดการเสียรูปทางกลของคริสตัล ในขณะที่การใช้แรงกดทางกลกับทั้งสองด้านจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าเกิดขึ้นในคริสตัล และปรากฏการณ์ทั้งสองนี้สามารถย้อนกลับได้ การใช้คุณสมบัตินี้ แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกจ่ายไปที่ทั้งสองด้านของคริสตัล และแผ่นเวเฟอร์จะสั่นสะเทือนทางกลไก รวมถึงสร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับด้วย โดยทั่วไปการสั่นสะเทือนและสนามไฟฟ้าชนิดนี้จะมีขนาดเล็ก แต่ที่ความถี่หนึ่ง แอมพลิจูดจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งก็คือเรโซแนนซ์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งคล้ายกับเรโซแนนซ์ลูป LC ที่เราพบเห็นทั่วไป

ในฐานะหัวใจของวงจรดิจิทัล Crystal Oscillator มีบทบาทอย่างไรในผลิตภัณฑ์อัจฉริยะ บ้านอัจฉริยะ เช่น เครื่องปรับอากาศ ผ้าม่าน ระบบรักษาความปลอดภัย การตรวจสอบ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ล้วนต้องการโมดูลส่งสัญญาณไร้สาย โดยผ่านโปรโตคอล Bluetooth, WIFI หรือ ZIGBEE โมดูลจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง หรือผ่านการควบคุมโทรศัพท์มือถือโดยตรง และ โมดูลไร้สายเป็นองค์ประกอบหลักที่ส่งผลต่อความเสถียรของทั้งระบบ ดังนั้น ให้เลือกระบบที่จะใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ กำหนดความสำเร็จหรือความล้มเหลวของวงจรดิจิทัล

เนื่องจากคริสตัลออสซิลเลเตอร์มีความสำคัญในวงจรดิจิทัล เราจึงต้องระมัดระวังในการใช้งานและการออกแบบ:

1. มีคริสตัลควอตซ์อยู่ในออสซิลเลเตอร์คริสตัล ซึ่งง่ายต่อการทำให้คริสตัลควอตซ์แตกและเสียหายเมื่อถูกกระแทกหรือตกจากภายนอก จากนั้นคริสตัลออสซิลเลเตอร์จะไม่สามารถสั่นได้ ดังนั้นการออกแบบวงจรจึงควรพิจารณาการติดตั้งออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่เชื่อถือได้ และตำแหน่งของมันไม่ควรใกล้กับขอบแผ่นและเปลือกอุปกรณ์ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

2. ให้ความสนใจกับอุณหภูมิในการเชื่อมเมื่อทำการเชื่อมด้วยมือหรือเครื่องจักร การสั่นสะเทือนของคริสตัลไวต่ออุณหภูมิ อุณหภูมิในการเชื่อมไม่ควรสูงเกินไป และเวลาในการทำความร้อนควรสั้นที่สุด

รูปแบบคริสตัลออสซิลเลเตอร์ที่เหมาะสมสามารถระงับการรบกวนการแผ่รังสีของระบบได้

1. คำอธิบายปัญหา

ผลิตภัณฑ์นี้คือกล้องภาคสนาม ซึ่งประกอบด้วยห้าส่วนภายใน: แผงควบคุมหลัก แผงเซ็นเซอร์ กล้อง การ์ดหน่วยความจำ SD และแบตเตอรี่ เปลือกเป็นเปลือกพลาสติกและบอร์ดขนาดเล็กมีเพียงสองอินเทอร์เฟซ: อินเทอร์เฟซไฟภายนอก DC5V และอินเทอร์เฟซ USB สำหรับการส่งข้อมูล หลังจากการทดสอบการแผ่รังสีพบว่ามีปัญหาการแผ่รังสีสัญญาณรบกวนฮาร์มอนิกประมาณ 33MHz

ข้อมูลการทดสอบดั้งเดิมมีดังนี้:

2. วิเคราะห์ปัญหา

ผลิตภัณฑ์นี้โครงสร้างเปลือกเปลือกพลาสติก วัสดุที่ไม่ป้องกัน การทดสอบทั้งหมดมีเพียงสายไฟและสาย USB ออกจากเปลือก มันเป็นจุดความถี่รบกวนที่แผ่โดยสายไฟและสาย USB หรือไม่? ดังนั้นจึงมีขั้นตอนต่อไปนี้เพื่อทดสอบ:

(1) เพิ่มวงแหวนแม่เหล็กบนสายไฟเท่านั้น ผลการทดสอบ: การปรับปรุงไม่ชัดเจน

(2) เพิ่มวงแหวนแม่เหล็กบนสาย USB เท่านั้น ผลการทดสอบ: การปรับปรุงยังไม่ชัดเจน

(3) เพิ่มวงแหวนแม่เหล็กทั้งสาย USB และสายไฟ ผลการทดสอบ: การปรับปรุงชัดเจน ความถี่โดยรวมของการรบกวนลดลง

จากด้านบนจะเห็นได้ว่าจุดความถี่สัญญาณรบกวนถูกนำออกมาจากอินเทอร์เฟซทั้งสอง ซึ่งไม่ใช่ปัญหาของอินเทอร์เฟซพลังงานหรืออินเทอร์เฟซ USB แต่เป็นจุดความถี่สัญญาณรบกวนภายในควบคู่กับอินเทอร์เฟซทั้งสอง การป้องกันอินเทอร์เฟซเดียวไม่สามารถแก้ปัญหาได้

จากการวัดระยะใกล้ พบว่าคริสตัลออสซิลเลเตอร์ 32.768KHz จากบอร์ดควบคุมหลักสร้างการแผ่รังสีเชิงพื้นที่ที่รุนแรง ซึ่งทำให้สายเคเบิลโดยรอบและ GND ควบคู่กับสัญญาณรบกวนฮาร์มอนิก 32.768KHz ซึ่งต่อจากนั้นควบคู่และแผ่ผ่านสาย USB อินเทอร์เฟซและ สายไฟ ปัญหาของคริสตัลออสซิลเลเตอร์เกิดจากปัญหาสองประการต่อไปนี้:

(1) การสั่นสะเทือนของคริสตัลอยู่ใกล้กับขอบของแผ่นมากเกินไป ซึ่งทำให้เกิดเสียงรบกวนจากการสั่นสะเทือนของคริสตัลได้ง่าย

(2) มีสายสัญญาณอยู่ใต้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ ซึ่งง่ายต่อการนำไปสู่สัญญาณรบกวนฮาร์มอนิกของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ประกบสายสัญญาณ

(3) องค์ประกอบตัวกรองถูกวางไว้ใต้คริสตัลออสซิลเลเตอร์ และตัวเก็บประจุตัวกรองและความต้านทานที่ตรงกันจะไม่ถูกจัดเรียงตามทิศทางของสัญญาณ ซึ่งทำให้ผลการกรองขององค์ประกอบตัวกรองแย่ลง

3 การแก้ปัญหา

จากการวิเคราะห์จะได้รับมาตรการรับมือดังต่อไปนี้:

(1) ความจุตัวกรองและความต้านทานการจับคู่ของคริสตัลใกล้กับชิป CPU จะถูกวางไว้เป็นพิเศษให้ห่างจากขอบของบอร์ด

(2) จำไว้ว่าอย่าวางพื้นในพื้นที่วางคริสตัลและพื้นที่ฉายภาพด้านล่าง

(3) ความจุของตัวกรองและความต้านทานที่ตรงกันของคริสตัลจะถูกจัดเรียงตามทิศทางของสัญญาณ และวางไว้ใกล้กับคริสตัลอย่างเรียบร้อยและกะทัดรัด

(4) วางคริสตัลไว้ใกล้กับชิป และเส้นระหว่างทั้งสองนั้นสั้นและตรงที่สุด

4. บทสรุป

ปัจจุบันความถี่สัญญาณนาฬิกาออสซิลเลเตอร์คริสตัลหลายระบบอยู่ในระดับสูง พลังงานฮาร์มอนิกของการรบกวนมีความแข็งแกร่ง ฮาร์โมนิครบกวนไม่เพียงส่งจากสายอินพุตและเอาต์พุตเท่านั้น แต่ยังส่งจากอวกาศด้วย หากเลย์เอาต์ไม่สมเหตุสมผลก็อาจเกิดปัญหาการแผ่รังสีเสียงรบกวนที่รุนแรงได้ง่าย และวิธีอื่นแก้ไขได้ยาก ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับเลย์เอาต์ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์และสายสัญญาณ CLK ในเลย์เอาต์บอร์ด PCB

หมายเหตุเกี่ยวกับการออกแบบ PCB ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์

(1) ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งควรอยู่ใกล้กับพินแหล่งจ่ายไฟของคริสตัลออสซิลเลเตอร์มากที่สุด ควรวางตำแหน่งตามลำดับ: ตามทิศทางการไหลของแหล่งจ่ายไฟ ควรวางตัวเก็บประจุที่มีความจุน้อยที่สุดตามลำดับจากใหญ่ที่สุดไปเล็กที่สุด

(2) เปลือกของคริสตัลออสซิลเลเตอร์จะต้องต่อสายดิน ซึ่งสามารถแผ่คริสตัลออสซิลเลเตอร์ออกไปด้านนอกได้ และยังสามารถป้องกันการรบกวนของสัญญาณภายนอกบนคริสตัลออสซิลเลเตอร์ได้

(3) ห้ามวางสายไฟไว้ใต้คริสตัลออสซิลเลเตอร์เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นปิดสนิท ในเวลาเดียวกัน ห้ามวางสายภายในรัศมี 300 มิลลิลิตรของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ เพื่อป้องกันไม่ให้คริสตัลออสซิลเลเตอร์รบกวนประสิทธิภาพของสายไฟ อุปกรณ์ และชั้นอื่นๆ

(4) เส้นสัญญาณนาฬิกาควรสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เส้นควรกว้างขึ้น และควรพบความสมดุลในความยาวของสายไฟและอยู่ห่างจากแหล่งความร้อน

(5) ไม่ควรวางคริสตัลออสซิลเลเตอร์ไว้ที่ขอบของบอร์ด PCB โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบการ์ดบอร์ด