我国汽车产业的制造和输出在世界范围内名列前茅,是有名的汽车生产大国,每年消耗的电子零件非常的多,尤其是石英晶体和晶体振荡器,一辆汽车使用30~50颗左右,不同的汽车系统和模块,采用的晶振分类有好几种.汽车属于高端的商品,许多晶体制造商专门为汽车研发专用的石英晶体或振荡器,普通的Crystal,SPXO,TCXO,VCXO,OCXO,VC-TCXO等系列的都有.近年来,也有厂家研发出了汽车用的硅扩频振荡器,可提高汽车的性能和功能.

数字电子系统以多种方式丰富了我们的生活,但数字时钟信号也是传导噪声(通过电缆)和辐射电磁干扰(EMI)的来源.由于潜在的噪音问题非常严重,所有当今的电子产品都经过测试,以确保符合公认的EMI标准.但这不仅仅与EMI合规性有关...扩频(SS)振荡器的使用对于在汽车中使用越来越有吸引力,其中不仅通过仪器而且通过驾驶员和乘客看到电子汽车子系统的清洁性能的益处.

汽车优势

SS方法的优点远远超出其满足某些FCC和EMI合规性监管要求的功效.EMI兼容性的好处主要取决于测量技术的带通规范.SS技术确实使峰值能量的浓度最小化,并且由此产生的能量分布到本底噪声中确实减少了对滤波和屏蔽的需要,但是它们也可以提供其他益处.当今汽车中部署的高性能多媒体,音频,视频和无线系统越来越多,迫使设计人员特别关注这些子系统敏感的频率上存在的任何不需要的射频能量.对于高质量的无线电和无线数据系统,消除RF能量峰值可以确定系统是否可用.

多年来,无线电一直采用称为频率停车的方法来避免电源开关噪声的干扰.这种无线电实际上与电源通信,命令它根据需要改变其开关频率,以将能量峰值移出调谐器的输入频带.然而,随着现代汽车中干扰源数量的增加,您无法始终预测系统如何协同工作.使用天线分集系统以及限制新子系统的放置使情况更加复杂.

SS振荡器的其他优点可以在数字音频和工厂安装的免提接口中找到.这些系统通常使用编解码器通过向蜂窝电话或其他远程信息处理接口提供数字接口来提高音频质量.使用抖动(扩频)石英晶体振荡器作为编解码器的时钟源消除了在其他静默间隔期间产生恼人的空闲音调.这种技术在包含开关电容编解码器的多媒体应用中也很常见.除了消除空闲音调之外,SS振荡器还将能量峰值推入噪声基底,这降低了(例如)降落在跳频无线网络所使用的信道上的可能性.

实际上,下一代汽车中的所有子系统都可能包括SS时钟技术可以在性能和EMI合规性方面提供显着优势的领域.为此,Maxim/Dallas等供应商提供具有可靠启动特性且不受振动影响的全硅振荡器.它们与陶瓷谐振器相比具有成本竞争力,并且覆盖范围从千赫兹到超过六十兆赫兹.

一般考虑因素

控制EMI仍然是电子设计师面临的挑战.看看EMI的起源经常表明最大的贡献者是数字系统时钟,其原因如下:时钟通常具有系统中最高的频率,通常是周期性的方波,时钟走线通常是最长的系统中的痕迹.这种信号的频谱由基音和较低幅度的谐波音调组成,其幅度随着频率的增加而减小.

系统中的其他信号(数据和地址总线上的信号)以与时钟相同的频率更新,但它们以不规则的间隔发生,并且通常彼此不相关.结果是宽带噪声频谱的幅度比时钟低得多.该频谱中的总能量远大于时钟能量,但它对EMI测试几乎没有影响.这些测试着眼于最高的光谱幅度;不是总辐射能量.

您可以通过SAW滤波器,屏蔽和良好的PCB布局来控制EMI.但过滤和屏蔽增加了成本,精确的布局需要时间.另一种方法是攻击噪声源本身-最常见的是时钟振荡器.通过使时钟频率随时间变化,您可以轻松降低基波和泛音的幅度.由于时钟信号的能量保持不变,因此扩大泛音的变化频率必然会降低其幅度.

产生这种时钟的简单方法是用三角波调制压控晶振(VCO).随着三角波振幅增加,得到的光谱变宽.这个三角波重复的速度有多快?慢扫描(在可听范围内)可以通过电源耦合到模拟子系统.另一方面,扫描速度太快可能会使数字电路混乱.

图1图3是基于上述方法的时钟振荡器的框图,其中三角波控制VCO输出的频谱展宽.(VCO的中心频率由DAC和可编程8位分频器控制,允许您将频率设置在260kHz至133MHz之间.)图1中的IC由2线接口控制,设置存储在板载EEPROM.当预编程到所需频率时,这些设备可以在独立模式下工作,并且它们的频率可以在飞行中更新-这是低功率应用的优势.

图1.DS1086可编程时钟发生器的核心是由三角波控制的VCO.频率通过2线接口预编程并存储在板载EEPROM中.

图2将普通晶体振荡器的频谱与扩频石英振荡器的频谱进行比较.设置三角波幅度以使频谱扩宽4％可将峰值幅度降低至比晶体时钟振荡器低近25dB.

图2.晶体振荡器的幅度与DS1086的振幅之间的差异为4％,接近25dB.

当使用扩频振荡器作为微处理器的时钟源时,请确保μP能够应对占空比,上升和下降时间以及与源中频率变化相关的其他参数的容差.对于振荡器用作参考的应用(例如,实时时钟和实时测量),变化的频率可能会增加相当多的误差.

便携式消费产品可以包括诸如蜂窝电话之类的无线电功能,并且扩频技术适用于那些产品中的开关电源.无线电电路(尤其是VCO)容易受到电源噪声的影响.需要开关电源以最大化电池寿命,但遗憾的是它们具有与音叉振荡子类似的噪声频谱.该噪声可以通过直接耦合到无线电电路来限制性能.

具有外部同步引脚的升压转换器(例如MAX1703)允许您使用扩频时钟控制其频率.将自由运行的升压转换器(图3)的噪声频谱与同步到扩频时钟的噪声频谱进行比较具有指导意义(图4)).自由运行的升压转换器的泛音一直可见到10MHz,而扩频加宽(图4)将音调推入本底噪声.请注意,该图中的本底噪声已经上升,因为总能量是恒定的.