نوسان‌ساز کریستالی کلید طراحی مدار دیجیتال است، معمولاً در طراحی مدار، نوسان‌ساز کریستالی به عنوان قلب مدار دیجیتال استفاده می‌شود، تمام کار مدار دیجیتال از سیگنال کلاک جدا نیست و فقط نوسان‌ساز کریستالی دکمه کلیدی است که مستقیماً شروع عادی کل سیستم را کنترل می‌کند، می‌توان گفت که اگر یک طراحی مدار دیجیتال وجود داشته باشد، می‌توان نوسان‌ساز کریستالی را دید.
۱. نوسان‌ساز کریستالی چیست؟
نوسان‌ساز کریستالی عموماً به دو نوع نوسان‌ساز کریستالی کوارتز و تشدیدکننده کریستالی کوارتز اشاره دارد و می‌توان آن را مستقیماً نوسان‌ساز کریستالی نیز نامید. هر دو با استفاده از اثر پیزوالکتریک کریستال‌های کوارتز ساخته می‌شوند.
نوسان‌ساز کریستالی به این صورت عمل می‌کند: وقتی یک میدان الکتریکی به دو الکترود کریستال اعمال می‌شود، کریستال دچار تغییر شکل مکانیکی می‌شود و برعکس، اگر فشار مکانیکی به دو انتهای کریستال اعمال شود، کریستال یک میدان الکتریکی تولید می‌کند. این پدیده برگشت‌پذیر است، بنابراین با استفاده از این ویژگی کریستال، با اضافه کردن ولتاژهای متناوب به دو انتهای کریستال، تراشه ارتعاش مکانیکی ایجاد می‌کند و همزمان میدان‌های الکتریکی متناوب تولید می‌کند. با این حال، این ارتعاش و میدان الکتریکی تولید شده توسط کریستال عموماً کوچک است، اما تا زمانی که در یک فرکانس خاص باشد، دامنه آن به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، مشابه رزونانس حلقه LC که ما طراحان مدار اغلب می‌بینیم.
دوم. طبقه‌بندی نوسانات کریستالی (فعال و غیرفعال)
① نوسان‌ساز کریستالی غیرفعال
کریستال غیرفعال، کریستالی است که عموماً یک قطعه غیرقطبی دو پایه است (بعضی از کریستال‌های غیرفعال دارای یک پایه ثابت و بدون قطبش هستند).
نوسان‌ساز کریستالی غیرفعال معمولاً برای تولید سیگنال نوسان (سیگنال موج سینوسی) به مدار ساعت تشکیل شده توسط خازن بار متکی است.
② نوسان‌ساز کریستالی فعال
یک نوسان‌ساز کریستالی فعال، نوسان‌سازی است که معمولاً دارای ۴ پین است. نوسان‌ساز کریستالی فعال برای تولید سیگنال موج مربعی نیازی به نوسان‌ساز داخلی CPU ندارد. منبع تغذیه کریستالی فعال، سیگنال کلاک تولید می‌کند.
سیگنال نوسان‌ساز کریستالی فعال پایدار است، کیفیت آن بهتر است و حالت اتصال آن نسبتاً ساده است، خطای دقت آن از نوسان‌ساز کریستالی غیرفعال کمتر است و قیمت آن گران‌تر از نوسان‌ساز کریستالی غیرفعال است.
III. پارامترهای اساسی نوسانگر کریستالی
پارامترهای اساسی نوسانگر کریستالی عمومی عبارتند از: دمای کارکرد، مقدار دقت، ظرفیت تطبیق، شکل بسته‌بندی، فرکانس هسته و غیره.
فرکانس هسته نوسانگر کریستالی: انتخاب فرکانس کلی کریستال به الزامات اجزای فرکانس بستگی دارد، مانند MCU که عموماً یک محدوده است که بیشتر آنها از 4M تا ده‌ها M است.
دقت ارتعاش کریستال: دقت ارتعاش کریستال عموماً ±5PPM، ±10PPM، ±20PPM، ±50PPM و غیره است. تراشه‌های ساعت با دقت بالا معمولاً در محدوده ±5PPM هستند و برای استفاده عمومی حدود ±20PPM انتخاب می‌شود.
ظرفیت تطبیق نوسانگر کریستالی: معمولاً با تنظیم مقدار ظرفیت تطبیق، فرکانس هسته نوسانگر کریستالی قابل تغییر است و در حال حاضر، از این روش برای تنظیم نوسانگر کریستالی با دقت بالا استفاده می‌شود.
در سیستم مدار، خط سیگنال کلاک با سرعت بالا بالاترین اولویت را دارد. خط کلاک یک سیگنال حساس است و هرچه فرکانس بالاتر باشد، برای اطمینان از حداقل اعوجاج سیگنال، خط کوتاه‌تر لازم است.
اکنون در بسیاری از مدارها، فرکانس ساعت کریستال سیستم بسیار بالاست، بنابراین انرژی تداخل با هارمونیک‌ها نیز قوی است، هارمونیک‌ها از دو خط ورودی و خروجی، و همچنین از تابش فضایی ناشی می‌شوند، که اگر طرح PCB نوسانگر کریستالی منطقی نباشد، به راحتی باعث ایجاد مشکل تابش سرگردان قوی می‌شود و پس از تولید، حل آن با روش‌های دیگر دشوار است. بنابراین، هنگام چیدمان برد PCB، طرح خط سیگنال نوسانگر کریستالی و CLK بسیار مهم است.