Thiết kế điện tử - Ứng dụng dao động tinh thể với thiết kế bảng mạch PCB hợp lý

Ứng dụng dao động tinh thể với thiết kế bảng mạch PCB hợp lý

Chúng ta thường so sánh các dao động tinh thể với lõi của một mạch kỹ thuật số. Điều này là do tất cả các công việc của một mạch kỹ thuật số không thể làm mà không có tín hiệu đồng hồ. Crystal Oscillator trực tiếp điều khiển toàn bộ hệ thống. Nếu bộ dao động tinh thể không hoạt động, toàn bộ hệ thống sẽ bị tê liệt, vì vậy bộ dao động tinh thể là điều kiện tiên quyết để quyết định mạch kỹ thuật số bắt đầu hoạt động. Các bộ dao động tinh thể mà chúng ta thường nói đến là bộ dao động tinh thể thạch anh và bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh. Tất cả chúng đều được tạo ra bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh. Áp dụng một điện trường trên hai điện cực của tinh thể thạch anh có thể dẫn đến biến dạng cơ học của tinh thể. Ngược lại, nếu áp suất cơ học được áp dụng trên cả hai mặt của tinh thể, một điện trường sẽ được tạo ra trên tinh thể. Ngoài ra, hai hiện tượng này có thể đảo ngược. Sử dụng đặc tính này, điện áp xoay chiều được áp dụng trên cả hai mặt của tinh thể, và tinh thể sẽ tạo ra rung động cơ học. Đồng thời, một điện trường xoay chiều được tạo ra. Rung động và điện trường này thường nhỏ, nhưng ở một tần số nhất định, biên độ tăng lên đáng kể. Đây là cộng hưởng áp điện, tương tự như cộng hưởng mạch LC thông thường.

Là trung tâm của mạch kỹ thuật số, làm thế nào để dao động tinh thể hoạt động trong các sản phẩm thông minh? Đối với các sản phẩm nhà thông minh như điều hòa không khí, rèm cửa, an ninh và giám sát, cần có mô-đun truyền dẫn không dây. Chúng gửi mô-đun từ đầu này sang đầu kia thông qua các giao thức như Bluetooth, WIFI hoặc Zigbee hoặc được điều khiển trực tiếp qua điện thoại di động, trong khi bộ dao động tinh thể là thành phần bị ảnh hưởng trong mô-đun không dây. Sự ổn định của toàn bộ hệ thống xác định sự thành công hay thất bại của mạch kỹ thuật số, do đó, bộ dao động tinh thể được sử dụng trong hệ thống được chọn. Do tầm quan trọng của bộ dao động tinh thể trong các mạch kỹ thuật số, chúng ta cần cẩn thận khi sử dụng và thiết kế: 1) Có một tinh thể thạch anh bên trong bộ dao động tinh thể. Khi nó bị sốc bên ngoài hoặc rơi xuống, nó có thể dễ dàng dẫn đến sự phá vỡ tinh thể thạch anh, dẫn đến bộ dao động tinh thể không thể rung. Do đó, việc lắp đặt đáng tin cậy của bộ dao động tinh thể nên được xem xét khi thiết kế mạch. 2) Chú ý đến nhiệt độ hàn khi hàn thủ công hoặc hàn máy. Crystal Oscillator nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ không nên quá cao khi hàn, thời gian làm nóng nên ngắn nhất có thể? Bố trí tinh thể hợp lý có thể ức chế nhiễu bức xạ hệ thống. Mô tả vấn đề Sản phẩm này là một camera trực tiếp với năm phần bên trong: bảng điều khiển, bảng cảm biến, camera, thẻ nhớ SD và pin. Vỏ ngoài là vỏ nhựa. Bo mạch nhỏ chỉ có hai giao diện: giao diện nguồn bên ngoài DC5V và giao diện USB để truyền dữ liệu. Sau khi thử nghiệm bức xạ, người ta phát hiện ra rằng có một vấn đề với bức xạ tiếng ồn hài hòa gần 33 MHz. Phân tích vấn đề Cấu trúc vỏ của sản phẩm này được làm từ vật liệu không được che chắn. Kiểm tra toàn bộ máy chỉ có dây nguồn và dây USB được dẫn ra khỏi vỏ. Tần số gây nhiễu có được phát ra bởi dây nguồn và cáp USB không? Do đó, một số bước đã được kiểm tra riêng: (1) Chỉ có một vòng nam châm được thêm vào dây nguồn và kết quả kiểm tra: cải tiến không rõ ràng; (2) chỉ thêm một vòng nam châm trên cáp USB, kết quả kiểm tra: cải tiến vẫn chưa rõ ràng; (3) Cả cáp USB và cáp nguồn đều được thêm một vòng từ. Kết quả kiểm tra: cải thiện rõ ràng và tần số nhiễu tổng thể giảm. Như bạn có thể thấy ở trên, tần số nhiễu được tạo ra từ hai giao diện. Đây không phải là vấn đề với giao diện nguồn hoặc giao diện USB, mà là tần số nhiễu bên trong được ghép nối với cả hai. Che chắn chỉ một giao diện là không thể giải quyết. Câu hỏi Sau khi đo gần trường, người ta phát hiện ra rằng tần số nhiễu đến từ bộ dao động tinh thể 32,768KHz của bảng điều khiển, tạo ra bức xạ không gian mạnh mẽ khiến các dấu vết xung quanh và GND kết hợp với tiếng ồn hài hòa 32,768KHz, sau đó bức xạ kết hợp giữa cáp USB và cáp nguồn qua giao diện. Vấn đề với tinh thể này là do hai vấn đề sau: a. Crystal Oscillator là quá gần với cạnh của tấm, nó có thể dễ dàng gây ra tiếng ồn bức xạ Crystal Oscillator. b. Có một đường tín hiệu bên dưới Crystal Oscillator, dễ dàng gây ra các đường tín hiệu để kết hợp tiếng ồn hài hòa của Crystal Oscillator. c. Thiết bị lọc được đặt dưới Crystal Oscillator, Và tụ điện lọc và điện trở phù hợp không được sắp xếp theo dòng tín hiệu, làm cho bộ lọc của thiết bị kém hiệu quả hơn. Giải pháp, dựa trên phân tích, đề xuất các biện pháp đối phó sau: (1) tụ điện lọc của tinh thể và điện trở phù hợp trước tiên nên ở gần chip CPU, tránh xa cạnh của bảng; (2) Nhớ không đặt mặt đất trong khu vực đặt tinh thể và khu vực chiếu bên dưới; (3) Tụ lọc và điện trở phù hợp của tinh thể được sắp xếp theo dòng chảy tín hiệu, được đặt gọn gàng và nhỏ gọn gần tinh thể; (4) Đặt tinh thể gần chip, dây giữa hai phải càng ngắn và thẳng càng tốt. Kết luận Hiện nay, nhiều bộ dao động tinh thể hệ thống có tần số đồng hồ cao hơn và năng lượng hài hòa nhiễu mạnh hơn. Sóng hài gây nhiễu không chỉ được truyền từ hai quỹ đạo đầu vào và đầu ra của nó, mà còn phát ra từ không gian. Nếu bố cục không hợp lý, nó có thể rất mạnh mẽ. Vấn đề với bức xạ tiếng ồn là khó giải quyết bằng các phương pháp khác, vì vậy bộ dao động tinh thể và đường tín hiệu CLK đã bị gác lại. Cân nhắc thiết kế bảng mạch PCB dao động tinh thể (1) Tụ ghép phải được đặt càng gần chân nguồn của bộ dao động tinh thể càng tốt, thứ tự đặt: theo hướng của nguồn điện, giá trị tụ điện được đặt từ lớn đến nhỏ, giá trị tụ điện gần chân nguồn. (2) Vỏ của bộ dao động tinh thể phải được nối đất, có thể tỏa ra ngoài từ bộ dao động tinh thể, cũng có thể che chắn sự can thiệp của tín hiệu bên ngoài vào bộ dao động tinh thể. (3) Không định tuyến dưới bộ dao động tinh thể, đảm bảo mặt đất được đặt hoàn toàn, không định tuyến trong phạm vi 300mil của dao động tinh thể, để ngăn chặn bộ dao động tinh thể can thiệp vào hiệu suất của các dây, thiết bị và lớp khác. (4) Quỹ đạo của tín hiệu đồng hồ nên càng ngắn càng tốt và chiều rộng đường phải lớn hơn. Tìm sự cân bằng giữa chiều dài dây và khoảng cách từ nguồn nhiệt. (5) Không đặt bộ dao động tinh thể trên các cạnh của bảng PCB. Đặc biệt chú ý đến điều này khi thiết kế bảng mạch PCB.