在產品選型初期,最讓工程師頭疼的問題,是如何選擇和匹配晶振頻率,晶體晶振本身就是一種頻率控制元器件,頻率是最重要的參數,也是決定電路是否穩(wěn)定有效的關鍵.EPSON Crystal公司是專業(yè)的石英水晶組件制造商,旗下量產的晶體和振蕩器種類齊全,幾十年自主創(chuàng)新的技術和工藝,也為業(yè)界做出不少貢獻,EPSON公司提供的振蕩電路頻率匹配資料,讓廣大工程和技術受用無窮.
通常,晶體單元需要與振蕩器電路匹配以獲得穩(wěn)定的振蕩.晶體和振蕩器電路之間的不良匹配會產生許多問題,包括器件頻率穩(wěn)定性不足,器件停止振蕩和振蕩不穩(wěn)定.因此,當晶體單元與微控制器結合使用時,需要評估振蕩器電路.要檢查晶體單元和振蕩器電路之間的匹配,必須至少評估振蕩頻率匹配,負電阻和驅動電平.本文描述了用于檢查晶體單元和振蕩器電路匹配的評估過程.
1.振蕩頻率匹配評估的準備
電路設計者基本上指定了三個晶體單元參數:負載諧振頻率(FL),負載電容(CL)和晶體頻率容差(Δf).給定這些參數,晶體制造商根據負載電容(CL)振動諧振器單元,因為它調整負載諧振頻率(FL)和頻率容差.但是,預先規(guī)定的負載電容(CL)不考慮靜電電容(雜散電容),這是由印刷電路板(PCB)上的各種源產生的.由于雜散電容會對振蕩頻率的準確性產生不利影響,因此必須由可以改變晶體單元本身頻率的晶體制造商或可以調整負載電容的電路設計者來抵消.此過程稱為頻率匹配.
在評估頻率匹配之前,需要確認要評估的晶體單元的以下三個規(guī)格.
1).標準負載電容
從晶體單元的角度來看,負載電容是振蕩器電路的靜電電容.通常,電路設計者指定負載電容.
2).用標準負載電容加載晶體單元的諧振頻率負載諧振頻率(FL)是用具有標準負載電容的振蕩器電路驅動晶體單元時的振蕩頻率.使用室溫下的值.雜散電容和其他因素未被考慮在內.
3).晶體單元的等效電路常數
主要常數是運動電阻(R1),運動電容(C1),運動電感(L1),并聯(lián)電容(C0)和晶體本身的共振頻率(Fr),不考慮負載電容.阻抗計和網絡分析儀通常用于測量晶體單元的等效電路的參數.理想情況下,電路設計人員應使用網絡分析儀測量晶體單元并測量等效電路參數.但是,如果電路設計人員缺乏測量晶體單元所需的設備或專業(yè)知識,他或她應該要求晶體制造商這樣做.
2.振蕩頻率匹配評估從這里開始實際評估過程
首先,將要評估的晶體單元與振蕩電路一起安裝在PCB上,并檢查石英水晶振子的振蕩頻率.這通常被稱為頻率匹配檢查.確定晶體安裝在PCB上的振蕩頻率與標準負載電容下的振蕩頻率之間的差異,使您能夠看到PCB的實際靜電電容(電路側電容)與預設電容器之間的差異.規(guī)定的標準靜電電容.PCB的靜電電容不僅包括從晶體單元透視的振蕩電路的靜電電容(負載電容),還包括由諸如電路板的布線圖案之類的源產生的雜散電容.接下來,準備好您需要的測量儀器,以評估晶體單元和振蕩電路之間的匹配.評估頻率匹配所需的基本測量儀器是直流電源,頻率計,示波器,FET探頭和電流探頭.(圖1提供了基本測量儀器配置的示例.)

圖1:用于評估頻率匹配的測量儀器

圖2:用FET探頭觸摸晶體單元的熱端子以檢查振蕩波形

首先,當您使用FET探頭觸摸晶體單元的熱端子時(圖2),示波器上會出現(xiàn)一個波形,頻率顯示在頻率計數器上.例如,假設我們有一個晶體單元,其無負載電容的諧振頻率(Fr)為12MHz.現(xiàn)在假設具有標準負載電容的晶體的負載諧振頻率(FL)為12.000034MHz.
現(xiàn)在,我們假設安裝在PCB(FR)上的晶體單元的振蕩頻率是使用FET探頭測量的,發(fā)現(xiàn)為12.000219MHz,這意味著兩者之間的差異[晶體安裝時的振蕩頻率電路板(FR)和標準負載電容(FL)的振蕩頻率為+185Hz,差值為+15.4ppm.將這兩個頻率之間的差異盡可能接近零,可以提高頻率精度.有兩種方法可以減少FR和FL之間的差異.
一種方法是訂購振蕩頻率(中心頻率)比以前高+15.4ppm的貼片石英晶振.另一種方法是微調振蕩電路的負載電容,使其與振蕩頻率相匹配.下面描述使負載電容與振蕩頻率精細轉動和匹配的過程.
3.通過微調負載電容來匹配頻率您需要知道以下值來計算負載電容:
晶體的等效電路常數(Fr,R1,C1,L1和C0);晶體安裝在PCB(FR)上時的振蕩頻率;通過將上述值插入下面的公式來計算負載電容(CL).

這是計算的具體示例.
假設您的晶體標稱頻率為12MHz,振蕩電路負載電容(CL)為7.8pF.標稱頻率是當使用具有指定負載電容的振蕩電路時的振蕩頻率(FL).
通過網絡分析儀測量的晶體常數如下:
FR=12.000219MHz,Fr=11.998398MHz
R1=33.7歐姆,L1=70.519mH,C1=2.495fF,C0=1.11pF
請記住,Fr是晶體的共振頻率.將這些常量插入公式時,您會發(fā)現(xiàn)CL=7.11pF.該值與規(guī)定的7.8pF振蕩電路負載電容(CL)之差為-0.69pF.如果消除了這種差異,則預先指定的振蕩電路的負載電容和晶體單元實際安裝在PCB上時的靜電電容將匹配.理論上,頻率偏差也將為零,產生預先指定的振蕩頻率.當您實際調整OSCillator電路的負載電容時,更改Cg和Cd(圖3),使其符合預先規(guī)定的標準靜電電容.您可以使用下面的公式2來計算Cg和Cd的近似值.

圖3:電路負載電容(Cg和Cd)

Ci表示振蕩電路的實際負載電容(CL),Cs表示PCB布線電容和元件寄生電容等電容.由于Ci需要匹配預先指定的標準靜電電容CL(獨立晶體單元的CL).您可以使用下面的公式3和公式4來計算它.

換句話說,Cg和Cd是規(guī)定的晶體單位負載電容,從中減去Cs.此值僅為近似值,建議您在執(zhí)行調整時更改Cg和Cd并檢查振蕩頻率以獲得所需頻率.如果難以更改振蕩電路的Cg和Cd,則可以通過調整獨立晶振單元的負載電容來獲得所需的頻率.在這種情況下,請晶振制造商將晶體單元的獨立電容與電路電容相匹配,然后評估匹配并檢查結果.但是,請注意,如果電路負載電容很小,振蕩頻率會發(fā)生很大的變化,這使得它很容易受到振蕩器電路特性的微小變化的影響,從而導致頻率穩(wěn)定性惡化.因此,根據設備的應用設置適當的參數是很重要的.

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