标签: 晶振应用

从智能手机、物联网设备到卫星系统，几乎所有现代通信设备都依赖于精确的信号同步与频率控制。其中，晶振是无线通信系统中的关键元件。本期，凯擎小妹将探讨晶振在无线通信中的重要性及其具体应用。 石英晶体在受到电压时会机械变形，同时当其被机械拉伸或压缩时也会产生电压。这种双向的效应使得晶体在某一特定频率下可以形成稳定的振荡信号，该频率称为其“谐振频率”。 无线通信应用 频率稳定性和精度： 无线通信设备需要在特定频率下发送和接收信号。如果频率偏移，会导致信号混淆、失真、无法通信。晶振的精度通常可达到百万分之一甚至更高，确保通信双方在相同频道下进行交流。 调制与解调： 在无线通信中，调制（如频率调制FM、相位调制PM）是将信息叠加到载波频率上的过程。晶振生成的载波频率直接决定了调制质量和通信距离。接收端的解调器同样依赖晶振来锁定并提取信息信号。 时钟同步与系统协调： 在复杂的无线网络系统，例如5G基站、GPS导航系统，多台设备需要进行高精度的时间同步。晶振为系统提供主时钟信号，确保整个网络中数据收发的节奏一致，防止数据冲突与延迟。 低功耗通信： 低功耗晶振在维持频率精度的同时，能耗极低，是便携设备理想的时钟源。晶振有如下低功耗晶振的选择： 低电压晶振1.2V，频率范围0.25MHz ~ 60MHz； 时钟振荡器32.768KHz； 温补振荡器低电流1.5μA @ +3.3V 32.768KHz。 具体应用 无线游戏手柄： 晶振提供稳定的时钟信号，确保手柄与游戏主机之间的快速、准确通信。通过维持稳定的频率，晶振减少了信号干扰，提高了游戏体验的流畅性。 无线电发射： 晶振用于产生精确的载波频率。它确保发射的无线电波在正确的频率上，从而避免与其他信号的冲突。

激光雷达系统需要用精确的时间测量来计算距离和生成高分辨率的3D图像。晶振在激光雷达系统中起着关键作用，主要用于提供稳定的时钟信号和高精度的时间基准。 图片来源：Wingtra 晶振的作用 1. 时间基准: 激光雷达通过发射激光脉冲并测量其返回时间来计算物体的距离。因此需要一个非常精确的时间基准。晶振提供的稳定时钟信号确保时间测量的准确性，从而保证距离计算的精度。 2. 数据采集与处理: 激光雷达系统在接收到反射信号后，需要快速进行数据采集和处理。晶振提供的时钟信号用于同步数据采集和处理单元，确保系统能够高效且准确地工作。 3. 系统同步: 在多激光雷达传感器的系统中，各个传感器之间需要同步工作。KOAN晶振提供的统一时钟信号使不同传感器的数据可以有效地整合在一起，避免数据错位或不一致的问题。 4. 调制与解调: 一些激光雷达系统采用频率调制连续波（FMCW）技术来提高测量精度和抗干扰能力。晶振在这种系统中用于生成和控制调制信号的频率，确保调制和解调过程的准确性和稳定性。 晶振的选择 1. 频率稳定性: 激光雷达系统要求时钟信号具有极高的频率稳定性，以确保时间测量的准确性。通常选择温补晶振TCXO或压控晶振VCXO等高稳定性晶振 2. 相位噪声和抖动: 低相位噪声和低抖动的晶振有助于提高激光雷达系统的测量精度和信号处理能力。可选择KOAN的低抖动晶振KJ系列。 3. 工作温度范围: 激光雷达系统可能在各种环境条件下工作，因此晶振需要在宽温度范围内保持稳定的性能。 4. 尺寸和功耗: 在移动或无人驾驶汽车应用中，晶振的尺寸和功耗也是重要的考虑因素。小型化和低功耗的晶振可以帮助降低系统的整体能耗和体积。

物联网应用中，晶振的作用是同步时钟，无线通信的准确性，节能运行等。32.768kHz晶振，低功耗晶振，小型化晶振在物联网应用中是十分常见。 物联网应用图，来源: (Rafique,2020) 晶振在IoT应用中的作用 1. 同步: 保持设备时钟的同步。例如，智能照明系统可以在特定的时间打开或关闭，以确保设备之间的协调。 2. 无线通信: WiFi、蓝牙等无线协议依赖于频率的准确性。晶振调节用于数据传输和接收的载波频率。例如，配备晶振的健身手环可以与智能手机传输健康数据。 3. 节能: 物联网设备需要在电池供电下长期运行，因此采用低功耗晶振十分关键。 4. 数据准确性: 晶振确保传感器的内部时钟准确。例如，智能温室的温湿度传感器使用晶振来获得准确的时间信息，保证晶振的温湿度调整。 物联网应用中，晶振的选择 32.768kHz RTC时间是以振荡频率来计算的。它不是一个时间器，而是一个计数器。32.768kHz产生的振荡信号可以通过分频器进行15次分频后可以得到1Hz的秒信号。 温补晶振利用压电晶体的物理特性，通过温度补偿电路减少环境温度对振荡频率的影响，从而提高频率稳定性,有两款KOAN32.768kHz频率的规格可供选择：KT3225, KT7050。 低功耗晶振：用于长时间运行低功耗设备 时钟振荡器32.768KHz：KS32/KS50/KS70 温补振荡器低电流1.5μA @ +3.3V 32.768KHz,：KT3225. 低电压时钟振荡器1.2V, 频率范围为0.25MHz~60MHz：KS7050, KS5032, KS3225。 小型化晶振：用于空间有限的设备 小型化的贴片晶体KX16，频率范围是24MHz~54MHz，负载电容可选8~32pF； 温补晶振KT16CS，削峰正弦波输出，频率范围是13MHz ~ 52MHz，可选择1.8V~2.5V工作电压。

晶振提供时钟信号，用于同步音频设备中的各个部分的运行。高质量晶振可能会带来更清晰、更精确的音质。而质量较低的振荡器会导致声音抖动，出现噪音和失真。 影响音质的晶振参数 1. 相位噪声: 抖动会导致音频信号的失真和不稳定性，因此低抖动的晶振能够确保音质的稳定和清晰。《相位抖动是从哪来的？》 2。 频率稳定性: 频率稳定性表示晶振的输出频率因温度变化、频率老化、电压变化、输出负载变化等外部条件而发生的变化，详见《晶振的总频差》。高质量的KOAN振荡器的频率稳定性高，保证音质的一致性。 影响音质的其它因素 虽然晶振对音质的总体影响较小，但它对音响设备整体保真度有影响。影响音质的其它因素有数字模拟转换器质量、模拟电路和电源供应。 1. 数字模拟转换器: DAC在将数字信号转化为模拟波形时发挥重要作用。低失真水平的高质量DAC保证音频的准确性。 2. 模拟电路: 模拟信号路径中电容器、电阻器和其他组件的质量对音质的影响很大。高级组件可以最小化噪音和失真。 3. 电源供应: 稳定的电源确保所有电子元件的最佳性能。 晶振推荐 1. 32.768KHz:32.768kHz的晶体和振荡器主要应用于实时时钟，具有小体积低功耗的特点。用于同步各个部件的操作，确保音频信号的准确采样、处理和输出。 2. 低抖动晶振: KOAN低抖动振荡器可以降低时钟信号的波动，减少数字信号的抖动，从而减少音频信号中的失真和噪声。这有助于提升音响系统的声音清晰度、分辨率和动态范围，使音乐听起来更加逼真。 3. 压控晶振: 在音响应用中的主要作用是调整音频设备的时钟频率，以纠正时钟信号的偏差或抖动，从而提升音频信号的质量和准确性。 4. 恒温晶振: 能够在不同的温度条件下保持稳定的频率输出，从而确保音响设备在各种环境下都能提供一致的性能和音质。

频率稳定度分短稳和长稳。短稳是指由相噪，电源和负载变化引起的频率波动；长稳是指因老化等引起的频率漂移。相位噪声是晶体振荡器短期稳定度的重要指标。今天凯擎小妹就来讲一下相位噪声的概念及其应用： 频域和时域： 相位噪声或抖动越小，输出信号稳定性越高 频域：相位噪声 振荡器在不同频率处相位噪声水平的指标。它表示单位频率范围内的相位噪声功率，单位是dBc/Hz。其中 dBc 是以 dB 为单位的在该频率处 1Hz 带宽内的噪声功率与信号总功率比值。 时域：抖动 抖动（又称时间抖动），是实际测量到的信号在时域上与理想信号的偏差。以 1MHz的脉冲信号为例，理想的持续时间应该是1us，每500ns会有一个跳变沿，由于各种因素的存在，信号周期会发生变化，造成抖动。 应用： 相位噪声是晶体振荡器短期稳定度的重要指标。KOAN 晶振的相位噪声在不同的应用领域中都具有重要性，尤其是对于需要高精度时钟或频率稳定性的系统。以下是一些应用领域中相位噪声的重要性： 通讯系统 如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度;影响通信接收机信道内、外性能测量。如果要求接收机灵敏度越高，相噪也必须更好。 雷达和导航系统 相位噪声会影响系统的定位精度，尤其在长距离和高精度要求的场景下。为了提高空间检测能力，低相噪非常重要；尤其低重复周期雷达，调制后的两根载频频谱的远端相噪可能发生叠加。 医疗设备 在医疗设备中，如核磁共振成像（MRI）或超声波系统，时钟的稳定性对于诊断和治疗的精确性至关重要。相位噪声可能影响成像质量和数据精确度。 工业控制和测量 在工业自动化和测量系统中，精准的时序和频率同步对于确保系统稳定性和准确性至关重要。相位噪声可能导致系统测量误差和控制不稳定。