Chúng ta thường so sánh bộ dao động tinh thể với trái tim của mạch kỹ thuật số, bởi vì tất cả công việc của mạch kỹ thuật số không thể tách rời khỏi tín hiệu đồng hồ và bộ dao động tinh thể trực tiếp điều khiển toàn bộ hệ thống. Nếu bộ dao động tinh thể không hoạt động thì toàn bộ hệ thống sẽ bị tê liệt, do đó bộ dao động tinh thể là điều kiện tiên quyết để mạch số bắt đầu hoạt động.

Bộ tạo dao động tinh thể, như chúng ta thường nói, là bộ tạo dao động tinh thể thạch anh và bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh. Cả hai đều được tạo ra từ hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh. Tác dụng điện trường lên hai điện cực của tinh thể thạch anh gây ra biến dạng cơ học của tinh thể, trong khi tác dụng áp suất cơ học lên cả hai mặt sẽ gây ra điện trường trong tinh thể. Và cả hai hiện tượng này đều có thể đảo ngược được. Bằng cách sử dụng đặc tính này, điện áp xoay chiều được đặt vào cả hai mặt của tinh thể và tấm bán dẫn sẽ rung động cơ học cũng như tạo ra điện trường xoay chiều. Loại rung động và điện trường này nhìn chung nhỏ nhưng ở một tần số nhất định, biên độ sẽ tăng lên đáng kể, đó là cộng hưởng áp điện, tương tự như cộng hưởng vòng LC mà chúng ta thường thấy.

Là trái tim của mạch kỹ thuật số, bộ dao động tinh thể đóng vai trò như thế nào trong các sản phẩm thông minh? Nhà thông minh như điều hòa không khí, rèm cửa, an ninh, giám sát và các sản phẩm khác, tất cả đều cần mô-đun truyền dẫn không dây, thông qua giao thức Bluetooth, WIFI hoặc ZIGBEE, mô-đun từ đầu này đến đầu kia hoặc trực tiếp thông qua điều khiển điện thoại di động và mô-đun không dây là thành phần cốt lõi, ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn hệ thống, vì vậy hãy chọn hệ thống sử dụng bộ dao động tinh thể. Xác định sự thành công hay thất bại của các mạch kỹ thuật số.

Do tầm quan trọng của bộ dao động tinh thể trong mạch số nên chúng ta cần cẩn thận khi sử dụng và thiết kế:

1. Trong bộ dao động tinh thể có tinh thể thạch anh, rất dễ gây vỡ và hư hỏng tinh thể thạch anh khi bị tác động hoặc rơi từ bên ngoài, khi đó bộ dao động tinh thể không thể rung được. Do đó, việc lắp đặt bộ dao động tinh thể đáng tin cậy cần được xem xét trong thiết kế mạch và vị trí của nó không được càng gần mép tấm và vỏ thiết bị càng tốt.

2. Chú ý đến nhiệt độ hàn khi hàn bằng tay hoặc bằng máy. Độ rung tinh thể rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ hàn không được quá cao và thời gian gia nhiệt phải càng ngắn càng tốt.

Bố trí bộ dao động tinh thể hợp lý có thể triệt tiêu nhiễu bức xạ của hệ thống.

1. Mô tả vấn đề

Sản phẩm là một camera hiện trường, bao gồm 5 bộ phận bên trong: bảng điều khiển lõi, bảng cảm biến, camera, thẻ nhớ SD và pin. Vỏ là vỏ nhựa, bo mạch nhỏ chỉ có hai giao diện: giao diện nguồn ngoài DC5V và giao diện USB để truyền dữ liệu. Sau khi kiểm tra bức xạ, người ta thấy rằng có vấn đề về bức xạ nhiễu hài ở tần số 33 MHz.

Dữ liệu thử nghiệm ban đầu như sau:

2. Phân tích vấn đề

Sản phẩm này có cấu trúc vỏ nhựa, vật liệu không che chắn, toàn bộ thử nghiệm chỉ có dây nguồn và cáp USB ra khỏi vỏ, có phải điểm tần số nhiễu được tỏa ra bởi dây nguồn và cáp USB không? Vì vậy, các bước sau đây được thực hiện để kiểm tra:

(1) Chỉ thêm vòng từ trên dây nguồn, kết quả kiểm tra: sự cải thiện không rõ ràng;

(2) Chỉ thêm vòng từ vào cáp USB, kết quả kiểm tra: sự cải thiện vẫn chưa rõ ràng;

(3) Thêm vòng từ vào cả cáp USB và dây nguồn, kết quả kiểm tra: sự cải thiện rõ rệt, tần số nhiễu tổng thể giảm.

Ở trên có thể thấy rằng các điểm tần số nhiễu được đưa ra từ hai giao diện, đây không phải là vấn đề của giao diện nguồn hoặc giao diện USB mà là các điểm tần số nhiễu bên trong được ghép với hai giao diện. Chỉ che chắn một giao diện không thể giải quyết được vấn đề.

Thông qua phép đo trường gần, người ta thấy rằng bộ tạo dao động tinh thể 32,768KHz từ bảng điều khiển lõi tạo ra bức xạ không gian mạnh, làm cho các dây cáp xung quanh và GND được ghép với nhiễu hài hòa 32,768KHz, sau đó được ghép nối và tỏa ra qua giao diện cáp USB và dây nguồn. Các vấn đề của bộ dao động tinh thể xảy ra do hai vấn đề sau:

(1) Độ rung của tinh thể quá gần mép của tấm, dễ dẫn đến nhiễu bức xạ rung của tinh thể.

(2) Có một đường tín hiệu dưới bộ dao động tinh thể, dễ dẫn đến nhiễu hài của bộ dao động tinh thể ghép đường tín hiệu.

(3) Phần tử lọc được đặt dưới bộ dao động tinh thể, tụ lọc và điện trở phù hợp không được bố trí theo hướng tín hiệu, điều này làm cho hiệu quả lọc của phần tử lọc trở nên kém hơn.

3, giải pháp

Theo phân tích, có được các biện pháp đối phó sau:

(1) Điện dung của bộ lọc và điện trở phù hợp của tinh thể gần chip CPU được ưu tiên đặt cách xa mép bảng;

(2) Hãy nhớ không đặt nền ở khu vực đặt tinh thể và khu vực chiếu bên dưới;

(3) Điện dung của bộ lọc và điện trở phù hợp của tinh thể được sắp xếp theo hướng tín hiệu và được đặt gọn gàng và nhỏ gọn gần tinh thể;

(4) Tinh thể được đặt gần con chip và đường thẳng giữa hai tinh thể càng ngắn và thẳng càng tốt.

4. Kết luận

Ngày nay nhiều hệ thống xung nhịp dao động tinh thể có tần số cao, năng lượng điều hòa giao thoa mạnh; Sóng hài giao thoa không chỉ được truyền từ đường vào và đường ra mà còn được bức xạ từ không gian. Nếu bố trí không hợp lý sẽ dễ gây ra vấn đề bức xạ ồn mạnh, khó giải quyết bằng các phương pháp khác. Vì vậy, việc bố trí bộ dao động tinh thể và đường tín hiệu CLK trong bố trí bo mạch PCB là rất quan trọng.

Lưu ý về thiết kế PCB của bộ dao động tinh thể

(1) Tụ điện ghép phải càng gần chân cấp nguồn của bộ dao động tinh thể càng tốt. Vị trí nên được sắp xếp theo thứ tự: theo hướng dòng điện vào, tụ điện có công suất nhỏ nhất nên được đặt theo thứ tự từ lớn nhất đến nhỏ nhất.

(2) Vỏ của bộ dao động tinh thể phải được nối đất, nó có thể tỏa bộ dao động tinh thể ra bên ngoài và cũng có thể che chắn sự can thiệp của các tín hiệu bên ngoài lên bộ dao động tinh thể.

(3) Không đi dây dưới bộ dao động tinh thể để đảm bảo sàn được che phủ hoàn toàn. Đồng thời, không nối dây trong phạm vi 300mil của bộ tạo dao động tinh thể, để ngăn bộ tạo dao động tinh thể cản trở hiệu suất của các dây, thiết bị và lớp khác.

(4) Đường tín hiệu đồng hồ phải càng ngắn càng tốt, đường này phải rộng hơn và phải cân bằng về chiều dài của dây dẫn và cách xa nguồn nhiệt.

(5) Không nên đặt bộ dao động tinh thể ở cạnh của bo mạch PCB, đặc biệt là trong thiết kế của bo mạch.