A menudo comparamos el oscilador de cristal con el corazón del circuito digital, ya que todo el trabajo del circuito digital es inseparable de la señal de reloj, y el oscilador de cristal controla directamente todo el sistema. Si el oscilador de cristal no funciona, todo el sistema se paraliza, por lo que el oscilador de cristal es el prerrequisito para que el circuito digital comience a funcionar.
El oscilador de cristal, como solemos decir, es un oscilador de cristal de cuarzo y un resonador de cristal de cuarzo. Ambos se basan en el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo. La aplicación de un campo eléctrico a los dos electrodos de un cristal de cuarzo provoca su deformación mecánica, mientras que la aplicación de presión mecánica a ambos lados genera un campo eléctrico en el cristal. Ambos fenómenos son reversibles. Gracias a esta propiedad, se aplican tensiones alternas a ambos lados del cristal y la oblea vibra mecánicamente, generando además campos eléctricos alternos. Este tipo de vibración y campo eléctrico son generalmente pequeños, pero a cierta frecuencia, su amplitud aumenta significativamente, lo que se conoce como resonancia piezoeléctrica, similar a la resonancia de bucle LC que observamos comúnmente.
Como elemento central del circuito digital, ¿qué papel desempeña el oscilador de cristal en los productos inteligentes? Los sistemas inteligentes para el hogar, como aires acondicionados, cortinas, sistemas de seguridad, monitores y otros, requieren un módulo de transmisión inalámbrica. Se conectan mediante protocolos Bluetooth, Wi-Fi o ZIGBEE, o se controlan directamente desde el teléfono móvil. El módulo inalámbrico es el componente principal, lo que afecta la estabilidad de todo el sistema. Por lo tanto, la elección del sistema que utilice el oscilador de cristal determina el éxito o el fracaso de los circuitos digitales.
Debido a la importancia del oscilador de cristal en el circuito digital, debemos tener cuidado al usarlo y diseñarlo:
1. El oscilador de cristal contiene cristales de cuarzo, que pueden romperse o dañarse fácilmente al recibir impactos o caídas externas, impidiendo así su vibración. Por lo tanto, al diseñar el circuito, se debe considerar la instalación segura del oscilador de cristal y, en la medida de lo posible, evitar que se acerque al borde de la placa y la carcasa del equipo.
2. Preste atención a la temperatura de soldadura al soldar a mano o a máquina. La vibración del cristal es sensible a la temperatura, por lo que la temperatura de soldadura no debe ser demasiado alta y el tiempo de calentamiento debe ser lo más breve posible.
Un diseño razonable del oscilador de cristal puede suprimir la interferencia de radiación del sistema.
1. Descripción del problema
El producto es una cámara de campo que consta de cinco partes: placa de control central, placa de sensores, cámara, tarjeta de memoria SD y batería. La carcasa es de plástico y la placa pequeña solo tiene dos interfaces: una interfaz de alimentación externa de 5 V CC y una interfaz USB para la transmisión de datos. Tras la prueba de radiación, se detectó un problema de radiación de ruido armónico de aproximadamente 33 MHz.
Los datos de prueba originales son los siguientes:
2. Analizar el problema
La carcasa de este producto es de plástico, sin blindaje. La prueba solo incluye el cable de alimentación y el cable USB. ¿Se produce interferencia de frecuencia entre ambos? Por lo tanto, se realizan las siguientes pruebas:
(1) Agregue un anillo magnético solo en el cable de alimentación, resultados de la prueba: la mejora no es obvia;
(2) Solo agregue un anillo magnético en el cable USB, resultados de la prueba: la mejora aún no es obvia;
(3) Agregue un anillo magnético tanto al cable USB como al cable de alimentación, resultados de la prueba: la mejora es obvia, la frecuencia general de interferencia disminuyó.
De lo anterior se desprende que los puntos de interferencia provienen de las dos interfaces. Este problema no reside en la interfaz de alimentación ni en la interfaz USB, sino en los puntos de interferencia internos acoplados a ambas interfaces. Blindar solo una interfaz no resuelve el problema.
Mediante medición de campo cercano, se observa que un oscilador de cristal de 32,768 KHz de la placa de control central genera una fuerte radiación espacial, lo que genera ruido armónico de 32,768 KHz en los cables circundantes y en la conexión a tierra. Este ruido se acopla y se irradia a través del cable USB y el cable de alimentación. Los problemas del oscilador de cristal se deben a los dos siguientes problemas:
(1) La vibración del cristal está demasiado cerca del borde de la placa, lo que puede provocar fácilmente ruido de radiación por vibración del cristal.
(2) Hay una línea de señal debajo del oscilador de cristal, que es fácil de generar ruido armónico en el oscilador de cristal de acoplamiento de la línea de señal.
(3) El elemento de filtro se coloca debajo del oscilador de cristal, y el condensador de filtro y la resistencia correspondiente no están dispuestos de acuerdo con la dirección de la señal, lo que empeora el efecto de filtrado del elemento de filtro.
3, la solución
Según el análisis se obtienen las siguientes contramedidas:
(1) La capacitancia del filtro y la resistencia correspondiente del cristal cercano al chip de la CPU se colocan preferentemente lejos del borde de la placa;
(2) Recuerde no colocar tierra en el área de colocación del cristal y el área de proyección debajo;
(3) La capacitancia del filtro y la resistencia correspondiente del cristal se organizan de acuerdo con la dirección de la señal y se colocan de manera ordenada y compacta cerca del cristal;
(4) El cristal se coloca cerca del chip y la línea entre ambos es lo más corta y recta posible.
4. Conclusión
Actualmente, la frecuencia de reloj del oscilador de cristal en muchos sistemas es alta y la energía armónica de interferencia es intensa. Los armónicos de interferencia no solo se transmiten desde las líneas de entrada y salida, sino que también se irradian desde el espacio. Si el diseño no es adecuado, es fácil que se produzca un problema de radiación de ruido intenso, difícil de solucionar con otros métodos. Por lo tanto, es fundamental el diseño del oscilador de cristal y la línea de señal CLK en la placa PCB.
Nota sobre el diseño de PCB del oscilador de cristal
(1) El condensador de acoplamiento debe estar lo más cerca posible del pin de alimentación del oscilador de cristal. Su ubicación debe ser ordenada: según la dirección de entrada de la alimentación, el condensador de menor capacidad se coloca de mayor a menor.
(2) La carcasa del oscilador de cristal debe estar conectada a tierra, lo que puede radiar el oscilador de cristal hacia afuera y también puede proteger la interferencia de señales externas en el oscilador de cristal.
(3) No cablee debajo del oscilador de cristal para asegurar que el suelo quede completamente cubierto. Asimismo, no cablee a menos de 300 milésimas de pulgada del oscilador de cristal para evitar que interfiera con el funcionamiento de otros cableados, dispositivos y capas.
(4) La línea de la señal del reloj debe ser lo más corta posible, la línea debe ser más ancha y el equilibrio debe encontrarse en la longitud del cableado y lejos de la fuente de calor.
(5) El oscilador de cristal no debe colocarse en el borde de la placa PCB, especialmente en el diseño de la tarjeta de la placa.
