晶振頻偏產生原理及背景教程(一)

debugdabiaoge發表於2024-06-28

為實現系統或多個子系統的系統時鐘同步或工作同步,電子產品通常會進行頻率的校準。系統時鐘通常由晶振產生。如下將從晶振、晶振工作原理、晶振選型以及生產環節來評估晶振及頻偏校準。

什麼是晶振

晶振一般指石英晶體振盪器,他是一種使用逆壓電效應的電子振盪器電路;它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片,在它的兩個對應面上塗敷銀層作為電極,在每個電極上各焊接一根引線到管腳上,再加上封裝外殼就構成石英晶體振盪器,簡稱石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝。

晶振工作原理

晶體振盪器有晶體、電容、電感組成,當電容和電感與晶體串聯時,形成一個諧振迴路。當外部電壓施加到晶體時,晶體會振盪,產生一個穩定的訊號。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關;當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容簡稱靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個pF或幾十pF.當晶體振盪時,機械振動的慣性可用電感L來等效。

晶振的等效電路顯示了一個串聯RLC電路,它標識晶體的機械振動,與一個電容Cp並聯,它標識晶體的電氣連線。

晶振頻率偏差及原因

晶振頻率偏差是指晶振輸出的頻率與其標稱頻率之間的差異,晶振頻率偏差會影響整個電路的的工作穩定性和精度,因此在電路設計和製造中需要對晶振頻率偏差進行合理的控制和調整。

晶振頻率偏差原因:

  1. 晶振本身的製造誤差,主要受裝置精度影響。晶振在製造過程中因裝置原因,通常會設定在一定頻偏的誤差範圍下進行生產,所以晶體的頻率和標稱頻譜會存在一定的偏差。

  2. 環境溫度的變化,晶振的頻率與環境溫度也有關係,當環境溫度發生變化時,晶振的頻率也會發生相應的變化。這也是產品生產時關注生產車間溫度恆定狀況的一個重要因素。

  3. 電源電壓的波動,晶體的頻率與電源電壓也有一定的關係,電源電壓發生波動時,晶振的頻率也會發生相應的變化。這個在產品的設計中,基本會提供穩定的電源電壓,對晶振的選型基本沒太大影響。

低延時晶振選型背景

  1. 低延時裝置,或者具有多接受端且相互間需要高精度同步的裝置,對於晶振頻偏有嚴格的要求。

  2. MCU系統時鐘來源均來自於晶振,透過調整晶片內部的電容cap值來動態調整系統頻率誤差。晶片內部一般有預設的cap值, 越靠近此中心值,調整越線性,PPM步進比較小。越遠離此中心值,調整越非線性,PPM步進比較大。最終反饋到MCU系統時鐘的精度就會有影響。

  3. 低延時裝置,接收端需要跟蹤發射端的時鐘(具體依程式應用設定為準),並且多個接收端之間需要同步。因頻寬比較緊張,收發包的時間margin比較小,跟蹤時,MCU系統時鐘精度越高,可調整步進越小,越容易跟蹤。

  4. 實施步驟
    1. 選取晶振要求:新設計一塊PCB板,晶片用內部預設的cap值, 選擇相應封裝的晶振,考慮到PCB板載電容,與晶振廠家選擇幾款負載電容(12pf,11pF,10.5pF,10pf,9pf等)不同的晶振上板測試頻偏,希望在晶片預設值cap值狀況下的頻偏有頻偏正偏,也有頻偏負偏,能均勻分佈。為了確保頻偏測試精度,建議統一用儀器進行校準。

    2. 考慮到晶振的品質穩定性 ,抽樣10pcs晶振進行測試滿足產品要求,便可認為100000pcs的晶振沒有問題,這裡按照10/100000PPM來估算的。

    3. 按上述步驟實施後,試產100pcs模組,從生產資料中找出偏離0x60最大的cap值模組,進行連線,回連的相關壓力測試。

    4. 不同PCBA綜合評估。產品可能同時具備發射和接收端,兩者的PCBA及layout不同,因其板載寄生電容等因素影響,造成頻偏也會有不同,此時需要進行綜合評估選用合適的負載電容晶振進行生產。

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