Tại sao tín hiệu trên XTAL1 và XTAL2 là sóng hình sin (không phải hình vuông)?

Tôi có một triển khai cơ bản với một tinh thể cho ăn XTAL1 và XTAL2 trên bộ xử lý (tương tự như bên dưới). Khi tôi nhìn vào tín hiệu trên XTAL1 và XTAL2, chúng là các sóng hình sin.

Không phải chúng nên là sóng vuông?

Mạch này không phải là mạch kỹ thuật số. Trong thực tế, nó là một mạch tương tự phi tuyến tính khá phức tạp về mặt toán học với điều khiển khuếch đại tự động với chế độ dao động tự bền vững. Nó được gọi là " Dao động xuyên ".

Tần số dao động được xác định bởi độ dốc mạnh của bộ cộng hưởng điện cơ (tinh thể), trong khi điều khiển khuếch đại dựa trên sự phụ thuộc của đầu vào vào điện áp phân cực DC - nếu độ lệch DC (tại C1) quá thấp so với mặt đất hoặc quá gần V _cc , mức tăng thấp. Độ lợi tuyến tính cao nhất ở đâu đó ở giữa mặt đất và đường ray điện.

Điện trở phân cực (thường là bên trong) R1 đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong bộ tạo dao động. Giá trị tiêu biểu của nó trong việc triển khai CMOS là khoảng 1 MOhm. Cùng với C1, nó tạo thành bộ lọc thông thấp, tích hợp đầu ra và cung cấp độ lệch DC thay đổi tùy thuộc vào sự không đối xứng của tín hiệu đầu ra, ngay cả khi đầu ra đạt đến độ bão hòa (giới hạn đường ray).

Kết quả là, có thể có một loạt các hình dạng tín hiệu với ít nhiều biến dạng phi tuyến tính trên Xout và Xin, tùy thuộc vào mức tăng thô của các biến tần và các tham số của bộ cộng hưởng tinh thể và tụ điện tải. Với mức tăng rất thấp và ở mức tự dao động, các tín hiệu sẽ gần như hình sin, trong khi ở mức tăng cao hơn, đầu ra sẽ chạm vào đường ray điện áp và có thể gần như hình chữ nhật. Nghệ thuật tạo ra các bộ dao động Pierce là cung cấp một số sự đánh đổi vàng giữa đầu ra hình chữ nhật và hình sin, với sự ổn định tốt của toàn bộ mạch đối với các biến đổi nhiệt độ và điện áp.

Bài viết này đề cập đến một bộ cộng hưởng MEMS, không phải tinh thể thạch anh, nhưng các ý tưởng là như nhau. Đây là một ví dụ về cách mạch bắt đầu và trôi về trạng thái ổn định:

Tinh thể (+ C1 / C2) là bộ cộng hưởng / bộ lọc băng thông rất hẹp. Chỉ có tần số cơ bản có thể phù hợp thông qua nó.

Sóng hình sin là một sóng đơn thuần, vì vậy nó là sóng hình sin.

Sóng vuông được tạo thành hình vuông, bởi tất cả các sóng hài lẻ lấp đầy bướu cho đến khi hình sin trở thành hình vuông. Không có sóng hài = Không phải hình vuông

[Ghi chú tinh thể trong thực tế có "sóng hài" được gọi là âm bội , nhưng chúng hơi lệch nhau, do đó, sóng hài của âm cơ bản không hoàn toàn nhấn vào âm bội thứ 3, v.v.]

Một quan điểm khác là pha lê giống như bánh xe đạp lăn xuống đường. Bộ biến tần CMOS điều khiển nó, giống như chân và chân của bạn. Bây giờ bạn có thể "đâm" vào bàn đạp và cố gắng làm cho chuyển động thành một hình vuông nếu bạn muốn. Nhưng bàn đạp sẽ đi vòng tròn trơn tru bất kể, vì hiệu ứng bánh đà rất lớn. Các tinh thể giống như một bánh đà khổng lồ trơn tru và hình sin cuộn xung quanh.

Pha lê thực sự giống như một bánh đà nặng. Nếu bạn đột ngột ngắt kết nối ổ đĩa, tín hiệu sẽ mất hàng ngàn chu kỳ để chết đi. Khi bạn bật bộ dao động, phải mất hàng ngàn chu kỳ để bắt đầu, từ từ xây dựng biên độ. Đây là lý do tại sao bộ xử lý của bạn có "bộ đếm thời gian khởi động dao động"

Một tinh thể sẽ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và ngược lại. Nó có thể làm điều này một cách hiệu quả khi được điều khiển với dạng sóng hình sin có tần số cụ thể. Điều khiển nó bằng bất cứ thứ gì khác sẽ dẫn đến việc nó chuyển đổi một phần lớn năng lượng ứng dụng thành sự suy giảm nhiệt hoặc cơ học.

Mặc dù bộ xử lý có thể tạo ra sóng vuông cho tinh thể, nhưng điều này sẽ khiến tinh thể tạo ra nhiều nhiệt hơn và chịu nhiều áp lực hơn là điều khiển nó với một dạng sóng gần hơn với dạng sóng hình sin. Hơn nữa, nếu mục đích của pin là đóng vai trò là đầu ra của bộ tạo dao động tinh thể, thì một bóng bán dẫn nhỏ không đủ mạnh để buộc điện áp trên pin thay đổi ngay lập tức có thể khá rẻ so với một bóng bán dẫn đủ mạnh để buộc một làn sóng vuông.

Lưu ý, tình cờ, trong hầu hết các trường hợp, bộ xử lý sẽ không cung cấp nhiều năng lượng cho tinh thể và hình dạng hình sin không bị chi phối bởi năng lượng chảy từ bộ xử lý vào tinh thể, mà là năng lượng liên tục chảy từ các tinh thể vào mũ đính kèm và trở lại.

Mặc dù tín hiệu là sóng hình sin, chân có điện áp ngưỡng. Dưới ngưỡng này, nó sẽ là 0 và trên nó sẽ đọc 1. Đây thường là hệ quả của mạch bên trong.

Trên ngưỡng, chân sẽ đăng ký 1. Pin có dải điện áp có thể hoạt động thường xuyên, vì vậy ngay cả khi điện áp của '1' thay đổi, hãy nói từ 3,31 đến 3,35 volt, trong thời gian cực đại của sóng hình sin , nó sẽ hoạt động theo cách mong muốn.

Vì vậy, pin đi từ hoạt động là 0 sang hoạt động như 1, mặc dù điện áp thực tế thay đổi một chút. Tất nhiên, quá nhiều điện áp và nó sẽ bắt đầu hoạt động theo những cách không mong muốn, thường làm hỏng chip.

Tinh thể được sử dụng như một bộ lọc thông dải hẹp Q rất cao với sự dịch pha 180 độ, biến tần sẽ buộc nó dao động đến mức bão hòa của sóng vuông mức logic.

Vì vậy, đầu vào biến tần là một sóng hình sin là kết quả của việc lọc ra tất cả các sóng hài của sóng vuông.

Sóng hình sin đó, có độ dốc hữu hạn và dễ dàng tính toán, cùng với một số tạp âm trong mạch bên trong DOES vuông lên tín hiệu của bộ cộng hưởng, gây ra nhiễu pha có thể dự đoán được hoặc nhiễu thời gian.

Sử dụng công thức

T _jitter = V _{tiếng ồn} / SlewRate

để dự đoán thời gian đi lang thang của nguồn đồng hồ này.

Coi chừng rằng bất kỳ mạch nào khác sẽ chỉ thêm jitter. Sử dụng cùng một công thức.

Giả sử mạch hình sin của bạn có 10 kohm Rnoise. Đây là 12 nanovolts / rtHz nhiệt ngẫu nhiên / mật độ nhiễu Johnson / Boltsmann. Nếu băng thông là 100 MHz, tổng điện áp nhiễu đầu vào là 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvolts RMS.

Giả sử tần số tinh thể là 10 MHz, với biên độ sin cực đại + -1 volt. Tốc độ xoay là 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 vôn / phát.

Các jitter cạnh là gì? T _j = V _{tiếng ồn} / SlewRate

T _j = 120 microvolts / (63 volt / Pha) = 2 picos giây.