Kryštálový oscilátor je kľúčom v návrhu digitálnych obvodov. V návrhu obvodov sa kryštálový oscilátor zvyčajne používa ako srdce digitálneho obvodu. Všetka práca digitálneho obvodu je neoddeliteľná od hodinového signálu a práve kryštálový oscilátor je kľúčové tlačidlo, ktoré priamo riadi normálny štart celého systému. Dá sa povedať, že ak existuje návrh digitálneho obvodu, je možné vidieť kryštálový oscilátor.
I. Čo je kryštálový oscilátor?
Kryštálový oscilátor sa všeobecne vzťahuje na dva druhy kremenného kryštálového oscilátora a kremenného kryštálového rezonátora a možno ho tiež priamo nazvať kryštálovým oscilátorom. Oba sú vyrobené pomocou piezoelektrického efektu kremenných kryštálov.
Kryštálový oscilátor funguje takto: keď sa na dve elektródy kryštálu aplikuje elektrické pole, kryštál sa mechanicky deformuje. Naopak, ak sa na dva konce kryštálu aplikuje mechanický tlak, kryštál vytvára elektrické pole. Tento jav je reverzibilný, takže využitím tejto vlastnosti kryštálu a pridaním striedavého napätia na oba konce kryštálu čip vytvára mechanické vibrácie a zároveň vytvára striedavé elektrické polia. Tieto vibrácie a elektrické pole generované kryštálom sú však vo všeobecnosti malé, ale pokiaľ sú na určitej frekvencii, amplitúda sa výrazne zvýši, podobne ako rezonancia LC slučky, ktorú často vidíme ako konštruktéri obvodov.
II. Klasifikácia kryštálových kmitov (aktívne a pasívne)
① Pasívny kryštálový oscilátor
Pasívny kryštál je kryštál, zvyčajne 2-pinový nepolárny prvok (niektoré pasívne kryštály majú pevný pin bez polarity).
Pasívny kryštálový oscilátor sa vo všeobecnosti musí spoliehať na hodinový obvod tvorený zaťažovacím kondenzátorom na generovanie oscilačného signálu (sínusového signálu).
② Aktívny kryštálový oscilátor
Aktívny kryštálový oscilátor je oscilátor, zvyčajne so 4 pinmi. Aktívny kryštálový oscilátor nevyžaduje na generovanie signálu obdĺžnikového tvaru interný oscilátor CPU. Napájací zdroj s aktívnym kryštálom generuje hodinový signál.
Signál aktívneho kryštálového oscilátora je stabilný, kvalita je lepšia a spôsob pripojenia je relatívne jednoduchý, chyba presnosti je menšia ako pri pasívnom kryštálovom oscilátore a cena je vyššia ako pri pasívnom kryštálovom oscilátore.
III. Základné parametre kryštálového oscilátora
Základné parametre všeobecného kryštálového oscilátora sú: prevádzková teplota, presnosť, zodpovedajúca kapacita, tvar puzdra, frekvencia jadra atď.
Jadrová frekvencia kryštálového oscilátora: Výber všeobecnej kryštálovej frekvencie závisí od požiadaviek frekvenčných zložiek, napríklad MCU má všeobecne rozsah, z ktorých väčšina je od 4M do desiatok M.
Presnosť vibrácií kryštálu: presnosť vibrácií kryštálu je vo všeobecnosti ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM atď., vysoko presné hodinové čipy sú vo všeobecnosti v rozmedzí ±5PPM a všeobecné použitie bude okolo ±20PPM.
Zodpovedajúca kapacita kryštálového oscilátora: zvyčajne nastavením hodnoty zodpovedajúcej kapacity je možné zmeniť frekvenciu jadra kryštálového oscilátora a v súčasnosti sa táto metóda používa na nastavenie vysoko presného kryštálového oscilátora.
V obvodovom systéme má vysokorýchlostné hodinové vedenie najvyššiu prioritu. Hodinové vedenie je citlivý signál a čím vyššia je frekvencia, tým kratšie vedenie je potrebné, aby sa minimalizovalo skreslenie signálu.
V mnohých obvodoch je frekvencia kryštálových hodín systému veľmi vysoká, takže energia interferencie s harmonickými je tiež silná. Harmonické budú odvodené zo vstupných a výstupných dvoch vedení, ale aj z priestorového žiarenia. Ak rozloženie kryštálového oscilátora na doske plošných spojov nie je primerané, ľahko to spôsobí silný problém s rozptýleným žiarením. Keď sa to vytvorí, je ťažké ho vyriešiť inými metódami. Preto je veľmi dôležité rozloženie kryštálového oscilátora a signálnych vedení CLK pri rozložení dosky plošných spojov.