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做降本或国产替代时,替换原来的晶振,都需要测试哪些内容?

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许多工程师在设计振荡器电路时并没有花太多心思在晶振上。对他们来说,这是一个非常经典的标准电路。事实上,事情并没有那么简单。振荡器电路作为单片机系统的的心跳,它需要晶振与其其他组件之间的仔细匹配。否则生成频率的准确性会受到影响,应用程序甚至可能在现场失效。在进行降本或者查找国产替代物料时,我们也经常会遇到关于晶振的类似问题:更换晶振后单片机工作正常是否就可以了?还有没有其他的参数需要考察的?为了解答各位的疑惑,我们对客户的振荡器电路进行了详细的分析,旨在实现晶体和电路之间的最佳匹配。针对晶振的参数,除了振荡频率,其实我们更关心下面的三个参数:

1) 频率精度

2) 振荡安全系数 (OSF)

3) 驱动电平

一:频率精度

振荡器电路的主要任务是在整个应用期间和所有环境条件下产生稳定和准确的频率。频率精度的单位是PPM,代表百万分之一,即1/1000000。晶振调整频差最常用的就是±10PPM、±20PPM和±30PPM,这个数值越小说明晶振精度越高。频差的选择是基于数码产品类型而定,比如网络通信类电子产品对晶振的精度要求比较高,通常为±10PPM居多。在使用过程中,振荡器电路的总负载电容CL和晶振的标称负载电容CL是影响频率精度的主要因素。振荡器电路的总负载电容 (CL) 必须尽可能接近晶体的标称负载电容 (标称 CL) 或理想匹配。因此,电路分析的第一步是确定石英晶体在其两个端子“实际测到”的总负载电容 (CL)。由于与电路的任何直接接触都会使测量结果失真,因此需要使用放置在电路上方一小段距离处的近场探头在不接触的情况下进行测量。然后将晶体从电路中焊接出来,并使用晶体网络分析仪在标称 CL 下进行测量。总 CL 与晶振标称 CL 的偏差越大,频率偏差越大。干货:在进行晶振替换时,首先需要确定PPM即晶振的标称负载电容与原来晶振的负载电容相差有多少。当然温度等外界环境条件对晶振的影响也是影响频率精度的一个重要的因素。

二:振荡安全系数

检查振荡器电路的振荡安全性。该术语描述了电路在所有可能的环境条件下快速可靠地启动的能力。因此,分析集中在电路内的电子电阻上。

如上图 所示,电路中内置了一个新的附加电阻器 (R Pot),与石英串联。然后逐步增加 RPot的电阻,直到振荡停止。该方法可以模拟“最坏情况下”晶振所允许的最大阻抗。以这种方式确定的最大阻抗与晶体的 ESRmax 之比最终得出振荡安全系数 (OSF)。如下图中晶振的参数手册。

对于MHz的晶体 ,对于大多数标准应用来说,大于 5 的 OSF 被认为是足够的。对于与安全相关的应用,例如汽车行业或医疗技术中的应用,通常需要大于 10 的 OSF。对于KHz的晶体,3 到 5之间的 OSF 值必须已经被评为良好,大于 5 的值必须被评为非常好,因为这些电路的设计功率非常低干货:进行晶振替代时,可以通过对比在电路中OSF的数值来确定新晶振与旧晶振的安全系数的关系。

三:驱动电平

为了防止晶振过载,确定其工作在晶振上的电源。为此,第一步是使用电流钳测量流过石英的电流强度。石英的“驱动电平”是根据该测量结果和已经确定的电路参数计算得出的。驱动电平不得超过石英数据表中指定的最大值。

超过最大驱动电平可能导致频率偏差,或者在最坏的情况下,甚至导致晶振故障。如下图中是某款晶振的驱动水平。

干货:对于同一个电路,使用上图中测量的电流相差越小,代表更换晶振带来的风险越小。也可以通过对比新旧晶振的驱动电平来决定,参数越接近,更换晶振所带来的风险最小。

四:调整电路

通过上面的三个测试,并找到了相对比较满意的晶振就可以放心到应用到自己的产品中。但是,若迫于无奈,只能选择某款测试参数并不太满足的晶振时,就必须调整电路。例如,如果频率精度有问题,电路中负载电容的变化可以减小电路CL与晶振标称CL之间的差异,从而提高频率精度。

以上对晶振的三个参数进行了简要的讲解,希望有助于帮助到各位。可以在本公众号内回复【晶振】【振荡器电路】获取更多这方面的资料和内容。

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