Oscylator kwarcowy jest kluczem w projektowaniu obwodów cyfrowych. Zwykle w projektowaniu obwodów oscylator kwarcowy jest używany jako serce obwodu cyfrowego. Cała praca obwodu cyfrowego jest nierozerwalnie związana z sygnałem zegara, a oscylator kwarcowy jest właśnie tym przyciskiem, który bezpośrednio steruje normalnym uruchomieniem całego systemu. Można powiedzieć, że w projektowaniu obwodów cyfrowych można zobaczyć oscylator kwarcowy.
I. Czym jest oscylator kwarcowy?
Termin „oscylator kwarcowy” odnosi się ogólnie do dwóch rodzajów oscylatora kwarcowego i rezonatora kwarcowego, a także może być bezpośrednio nazywany oscylatorem kwarcowym. Oba te urządzenia wykorzystują efekt piezoelektryczny kryształów kwarcu.
Oscylator kwarcowy działa w następujący sposób: gdy pole elektryczne zostanie przyłożone do dwóch elektrod kryształu, kryształ ulegnie odkształceniu mechanicznemu. Natomiast, gdy do obu końców kryształu zostanie przyłożone ciśnienie mechaniczne, kryształ wytworzy pole elektryczne. Zjawisko to jest odwracalne, więc wykorzystując tę właściwość kryształu, dodając napięcia przemienne do obu końców kryształu, układ scalony będzie wytwarzał drgania mechaniczne, a jednocześnie wytwarzał przemienne pola elektryczne. Jednakże drgania te i pole elektryczne generowane przez kryształ są zazwyczaj niewielkie, ale dopóki występują z określoną częstotliwością, amplituda znacznie wzrośnie, podobnie jak w rezonansie pętli LC, który często obserwujemy jako projektanci obwodów.
II. Klasyfikacja oscylacji krystalicznych (czynne i pasywne)
① Pasywny oscylator kwarcowy
Kryształ pasywny to kryształ, zwykle urządzenie dwupinowe o biegunowości niepolarnej (niektóre kryształy pasywne mają stały pin bez biegunowości).
Pasywny oscylator kwarcowy zazwyczaj musi opierać się na obwodzie zegara utworzonym przez kondensator obciążający w celu generowania sygnału oscylacyjnego (sygnału sinusoidalnego).
② Aktywny oscylator kwarcowy
Aktywny oscylator kwarcowy to oscylator, zazwyczaj z 4 pinami. Aktywny oscylator kwarcowy nie wymaga wewnętrznego oscylatora procesora do generowania sygnału prostokątnego. Zasilacz aktywnego oscylatora kwarcowego generuje sygnał zegarowy.
Sygnał aktywnego oscylatora kwarcowego jest stabilny, jakość jest lepsza, a tryb połączenia jest stosunkowo prosty, błąd precyzji jest mniejszy niż w przypadku pasywnego oscylatora kwarcowego, ale cena jest wyższa niż w przypadku pasywnego oscylatora kwarcowego.
III. Podstawowe parametry oscylatora kwarcowego
Podstawowymi parametrami ogólnego oscylatora kwarcowego są: temperatura pracy, wartość precyzji, dopasowana pojemność, forma obudowy, częstotliwość rdzenia itd.
Częstotliwość rdzenia oscylatora kwarcowego: Wybór ogólnej częstotliwości kwarcu zależy od wymagań komponentów częstotliwościowych, ponieważ mikrokontroler zwykle mieści się w zakresie od 4 Mb/s do kilkudziesięciu Mb/s.
Dokładność wibracji kryształu: dokładność wibracji kryształu wynosi na ogół ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM itd., układy zegara o wysokiej precyzji mają na ogół dokładność ±5PPM, a ogólne zastosowanie będzie wynosić około ±20PPM.
Dopasowana pojemność oscylatora kwarcowego: zwykle poprzez regulację wartości dopasowanej pojemności można zmienić częstotliwość rdzenia oscylatora kwarcowego. Obecnie tę metodę stosuje się do regulacji oscylatora kwarcowego o wysokiej precyzji.
W układzie scalonym linia sygnału zegara o wysokiej częstotliwości ma najwyższy priorytet. Linia zegara jest sygnałem czułym, a im wyższa częstotliwość, tym krótsza jest wymagana, aby zminimalizować zniekształcenia sygnału.
W wielu obwodach częstotliwość zegara kwarcowego systemu jest bardzo wysoka, co powoduje silne zakłócenia harmoniczne. Harmoniczne pochodzą nie tylko z dwóch linii wejściowych i wyjściowych, ale także z promieniowania przestrzennego. To z kolei prowadzi do tego, że jeśli układ PCB oscylatora kwarcowego nie jest odpowiedni, łatwo może to prowadzić do problemu silnego promieniowania rozproszonego, którego trudno rozwiązać innymi metodami. Dlatego bardzo ważne jest, aby układ oscylatora kwarcowego i linii sygnałowej CLK był odpowiedni podczas projektowania płytki PCB.