Кварцевый генератор является ключевым в проектировании цифровых схем, обычно в схемотехнике кварцевый генератор используется как сердце цифровой схемы, вся работа цифровой схемы неотделима от тактового сигнала, и именно кварцевый генератор является ключевой кнопкой, которая напрямую управляет нормальным запуском всей системы, можно сказать, что если есть проектирование цифровых схем, то можно увидеть кварцевый генератор.

I. Что такое кварцевый генератор?

Под кварцевым генератором обычно понимают два типа: кварцевый генератор и кварцевый резонатор, а также могут называться просто кварцевым генератором. Оба типа основаны на пьезоэлектрическом эффекте кристаллов кварца.

Кварцевый генератор работает следующим образом: при приложении электрического поля к двум электродам кристалла, кристалл подвергается механической деформации, и, наоборот, при приложении механического давления к двум его концам, кристалл создает электрическое поле. Это явление обратимо, поэтому, используя эту особенность кристалла, при подаче переменного напряжения на оба его конца, кристалл будет создавать механические вибрации и одновременно создавать переменные электрические поля. Однако эти вибрации и электрическое поле, генерируемые кристаллом, обычно невелики, но пока они находятся на определенной частоте, амплитуда будет значительно увеличиваться, подобно резонансу LC-контура, который мы, разработчики схем, часто наблюдаем.

II. Классификация кристаллических колебаний (активные и пассивные)

① Пассивный кварцевый генератор

Пассивный кварцевый резонатор — это кристалл, как правило, двухвыводной неполярный прибор (некоторые пассивные кварцевые резонаторы имеют фиксированный вывод без полярности).

Пассивный кварцевый генератор, как правило, для генерации колебательного сигнала (синусоидального сигнала) использует тактовую цепь, образованную нагрузочным конденсатором.

② Активный кварцевый генератор

Активный кварцевый генератор — это генератор, обычно с четырьмя выводами. Активному кварцевому генератору не требуется внутренний генератор процессора для формирования прямоугольного сигнала. Активный источник питания кварцевого генератора генерирует тактовый сигнал.

Сигнал активного кварцевого генератора стабилен, качество лучше, а способ подключения относительно прост, погрешность точности меньше, чем у пассивного кварцевого генератора, а цена выше, чем у пассивного кварцевого генератора.

III. Основные параметры кварцевого генератора

Основными параметрами кварцевого генератора общего назначения являются: рабочая температура, точность, согласующая емкость, форма корпуса, частота ядра и т. д.

Основная частота кварцевого генератора: Выбор общей частоты кварцевого генератора зависит от требований к частотным компонентам, например, микроконтроллеру, диапазон которых обычно составляет от 4 МГц до десятков МГц.

Точность вибрации кварца: точность вибрации кварца обычно составляет ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM и т. д., высокоточные тактовые микросхемы обычно находятся в пределах ±5PPM, а для общего использования выбирается около ±20PPM.

Согласующая емкость кварцевого генератора: обычно путем регулировки величины согласующей емкости можно изменить основную частоту кварцевого генератора, и в настоящее время этот метод используется для настройки высокоточного кварцевого генератора.

В этой схеме линия высокоскоростного тактового сигнала имеет наивысший приоритет. Тактовая линия — чувствительный сигнал, и чем выше частота, тем короче должна быть линия, чтобы минимизировать искажения сигнала.

В настоящее время во многих схемах частота кварцевого генератора очень высока, поэтому энергия помех, вызванных гармониками, также велика. Гармонические колебания возникают как на входе, так и на выходе, а также в результате излучения извне. Если печатная плата кварцевого генератора не разработана разумно, это может легко привести к возникновению проблемы с сильным паразитным излучением, которую трудно решить другими методами. Поэтому при проектировании печатной платы очень важно правильно подобрать расположение кварцевого генератора и линии сигнала CLK.