在产品选型初期,最让工程师头疼的问题,是如何选择和匹配晶振频率,晶体晶振本身就是一种频率控制元器件,频率是最重要的参数,也是决定电路是否稳定有效的关键.EPSON Crystal公司是专业的石英水晶组件制造商,旗下量产的晶体和振荡器种类齐全,几十年自主创新的技术和工艺,也为业界做出不少贡献,EPSON公司提供的振荡电路频率匹配资料,让广大工程和技术受用无穷.
通常,晶体单元需要与振荡器电路匹配以获得稳定的振荡.晶体和振荡器电路之间的不良匹配会产生许多问题,包括器件频率稳定性不足,器件停止振荡和振荡不稳定.因此,当晶体单元与微控制器结合使用时,需要评估振荡器电路.要检查晶体单元和振荡器电路之间的匹配,必须至少评估振荡频率匹配,负电阻和驱动电平.本文描述了用于检查晶体单元和振荡器电路匹配的评估过程.
1.振荡频率匹配评估的准备
电路设计者基本上指定了三个晶体单元参数:负载谐振频率(FL),负载电容(CL)和晶体频率容差(Δf).给定这些参数,晶体制造商根据负载电容(CL)振动谐振器单元,因为它调整负载谐振频率(FL)和频率容差.但是,预先规定的负载电容(CL)不考虑静电电容(杂散电容),这是由印刷电路板(PCB)上的各种源产生的.由于杂散电容会对振荡频率的准确性产生不利影响,因此必须由可以改变晶体单元本身频率的晶体制造商或可以调整负载电容的电路设计者来抵消.此过程称为频率匹配.
在评估频率匹配之前,需要确认要评估的晶体单元的以下三个规格.
1).标准负载电容
从晶体单元的角度来看,负载电容是振荡器电路的静电电容.通常,电路设计者指定负载电容.
2).用标准负载电容加载晶体单元的谐振频率负载谐振频率(FL)是用具有标准负载电容的振荡器电路驱动晶体单元时的振荡频率.使用室温下的值.杂散电容和其他因素未被考虑在内.
3).晶体单元的等效电路常数
主要常数是运动电阻(R1),运动电容(C1),运动电感(L1),并联电容(C0)和晶体本身的共振频率(Fr),不考虑负载电容.阻抗计和网络分析仪通常用于测量晶体单元的等效电路的参数.理想情况下,电路设计人员应使用网络分析仪测量晶体单元并测量等效电路参数.但是,如果电路设计人员缺乏测量晶体单元所需的设备或专业知识,他或她应该要求晶体制造商这样做.
2.振荡频率匹配评估从这里开始实际评估过程
首先,将要评估的晶体单元与振荡电路一起安装在PCB上,并检查石英水晶振子的振荡频率.这通常被称为频率匹配检查.确定晶体安装在PCB上的振荡频率与标准负载电容下的振荡频率之间的差异,使您能够看到PCB的实际静电电容(电路侧电容)与预设电容器之间的差异.规定的标准静电电容.PCB的静电电容不仅包括从晶体单元透视的振荡电路的静电电容(负载电容),还包括由诸如电路板的布线图案之类的源产生的杂散电容.接下来,准备好您需要的测量仪器,以评估晶体单元和振荡电路之间的匹配.评估频率匹配所需的基本测量仪器是直流电源,频率计,示波器,FET探头和电流探头.(图1提供了基本测量仪器配置的示例.)

图1:用于评估频率匹配的测量仪器

图2:用FET探头触摸晶体单元的热端子以检查振荡波形

首先,当您使用FET探头触摸晶体单元的热端子时(图2),示波器上会出现一个波形,频率显示在频率计数器上.例如,假设我们有一个晶体单元,其无负载电容的谐振频率(Fr)为12MHz.现在假设具有标准负载电容的晶体的负载谐振频率(FL)为12.000034MHz.
现在,我们假设安装在PCB(FR)上的晶体单元的振荡频率是使用FET探头测量的,发现为12.000219MHz,这意味着两者之间的差异[晶体安装时的振荡频率电路板(FR)和标准负载电容(FL)的振荡频率为+185Hz,差值为+15.4ppm.将这两个频率之间的差异尽可能接近零,可以提高频率精度.有两种方法可以减少FR和FL之间的差异.
一种方法是订购振荡频率(中心频率)比以前高+15.4ppm的贴片石英晶振.另一种方法是微调振荡电路的负载电容,使其与振荡频率相匹配.下面描述使负载电容与振荡频率精细转动和匹配的过程.
3.通过微调负载电容来匹配频率您需要知道以下值来计算负载电容:
晶体的等效电路常数(Fr,R1,C1,L1和C0);晶体安装在PCB(FR)上时的振荡频率;通过将上述值插入下面的公式来计算负载电容(CL).

这是计算的具体示例.
假设您的晶体标称频率为12MHz,振荡电路负载电容(CL)为7.8pF.标称频率是当使用具有指定负载电容的振荡电路时的振荡频率(FL).
通过网络分析仪测量的晶体常数如下:
FR=12.000219MHz,Fr=11.998398MHz
R1=33.7欧姆,L1=70.519mH,C1=2.495fF,C0=1.11pF
请记住,Fr是晶体的共振频率.将这些常量插入公式时,您会发现CL=7.11pF.该值与规定的7.8pF振荡电路负载电容(CL)之差为-0.69pF.如果消除了这种差异,则预先指定的振荡电路的负载电容和晶体单元实际安装在PCB上时的静电电容将匹配.理论上,频率偏差也将为零,产生预先指定的振荡频率.当您实际调整OSCillator电路的负载电容时,更改Cg和Cd(图3),使其符合预先规定的标准静电电容.您可以使用下面的公式2来计算Cg和Cd的近似值.

图3:电路负载电容(Cg和Cd)

Ci表示振荡电路的实际负载电容(CL),Cs表示PCB布线电容和元件寄生电容等电容.由于Ci需要匹配预先指定的标准静电电容CL(独立晶体单元的CL).您可以使用下面的公式3和公式4来计算它.

换句话说,Cg和Cd是规定的晶体单位负载电容,从中减去Cs.此值仅为近似值,建议您在执行调整时更改Cg和Cd并检查振荡频率以获得所需频率.如果难以更改振荡电路的Cg和Cd,则可以通过调整独立晶振单元的负载电容来获得所需的频率.在这种情况下,请晶振制造商将晶体单元的独立电容与电路电容相匹配,然后评估匹配并检查结果.但是,请注意,如果电路负载电容很小,振荡频率会发生很大的变化,这使得它很容易受到振荡器电路特性的微小变化的影响,从而导致频率稳定性恶化.因此,根据设备的应用设置适当的参数是很重要的.

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