我國汽車產業的制造和輸出在世界范圍內名列前茅,是有名的汽車生產大國,每年消耗的電子零件非常的多,尤其是石英晶體和晶體振蕩器,一輛汽車使用30~50顆左右,不同的汽車系統和模塊,采用的晶振分類有好幾種.汽車屬于高端的商品,許多晶體制造商專門為汽車研發專用的石英晶體或振蕩器,普通的Crystal,SPXO,TCXO,VCXO,OCXO,VC-TCXO等系列的都有.近年來,也有廠家研發出了汽車用的硅擴頻振蕩器,可提高汽車的性能和功能.

數字電子系統以多種方式豐富了我們的生活,但數字時鐘信號也是傳導噪聲(通過電纜)和輻射電磁干擾(EMI)的來源.由于潛在的噪音問題非常嚴重,所有當今的電子產品都經過測試,以確保符合公認的EMI標準.但這不僅僅與EMI合規性有關...擴頻(SS)振蕩器的使用對于在汽車中使用越來越有吸引力,其中不僅通過儀器而且通過駕駛員和乘客看到電子汽車子系統的清潔性能的益處.

汽車優勢

SS方法的優點遠遠超出其滿足某些FCC和EMI合規性監管要求的功效.EMI兼容性的好處主要取決于測量技術的帶通規范.SS技術確實使峰值能量的濃度最小化,并且由此產生的能量分布到本底噪聲中確實減少了對濾波和屏蔽的需要,但是它們也可以提供其他益處.當今汽車中部署的高性能多媒體,音頻,視頻和無線系統越來越多,迫使設計人員特別關注這些子系統敏感的頻率上存在的任何不需要的射頻能量.對于高質量的無線電和無線數據系統,消除RF能量峰值可以確定系統是否可用.

多年來,無線電一直采用稱為頻率停車的方法來避免電源開關噪聲的干擾.這種無線電實際上與電源通信,命令它根據需要改變其開關頻率,以將能量峰值移出調諧器的輸入頻帶.然而,隨著現代汽車中干擾源數量的增加,您無法始終預測系統如何協同工作.使用天線分集系統以及限制新子系統的放置使情況更加復雜.

SS振蕩器的其他優點可以在數字音頻和工廠安裝的免提接口中找到.這些系統通常使用編解碼器通過向蜂窩電話或其他遠程信息處理接口提供數字接口來提高音頻質量.使用抖動(擴頻)石英晶體振蕩器作為編解碼器的時鐘源消除了在其他靜默間隔期間產生惱人的空閑音調.這種技術在包含開關電容編解碼器的多媒體應用中也很常見.除了消除空閑音調之外,SS振蕩器還將能量峰值推入噪聲基底,這降低了(例如)降落在跳頻無線網絡所使用的信道上的可能性.

實際上,下一代汽車中的所有子系統都可能包括SS時鐘技術可以在性能和EMI合規性方面提供顯著優勢的領域.為此,Maxim/Dallas等供應商提供具有可靠啟動特性且不受振動影響的全硅振蕩器.它們與陶瓷諧振器相比具有成本競爭力,并且覆蓋范圍從千赫茲到超過六十兆赫茲.

一般考慮因素

控制EMI仍然是電子設計師面臨的挑戰.看看EMI的起源經常表明最大的貢獻者是數字系統時鐘,其原因如下:時鐘通常具有系統中最高的頻率,通常是周期性的方波,時鐘走線通常是最長的系統中的痕跡.這種信號的頻譜由基音和較低幅度的諧波音調組成,其幅度隨著頻率的增加而減小.

系統中的其他信號(數據和地址總線上的信號)以與時鐘相同的頻率更新,但它們以不規則的間隔發生,并且通常彼此不相關.結果是寬帶噪聲頻譜的幅度比時鐘低得多.該頻譜中的總能量遠大于時鐘能量,但它對EMI測試幾乎沒有影響.這些測試著眼于最高的光譜幅度;不是總輻射能量.

您可以通過SAW濾波器,屏蔽和良好的PCB布局來控制EMI.但過濾和屏蔽增加了成本,精確的布局需要時間.另一種方法是攻擊噪聲源本身-最常見的是時鐘振蕩器.通過使時鐘頻率隨時間變化,您可以輕松降低基波和泛音的幅度.由于時鐘信號的能量保持不變,因此擴大泛音的變化頻率必然會降低其幅度.

產生這種時鐘的簡單方法是用三角波調制壓控晶振(VCO).隨著三角波振幅增加,得到的光譜變寬.這個三角波重復的速度有多快?慢掃描(在可聽范圍內)可以通過電源耦合到模擬子系統.另一方面,掃描速度太快可能會使數字電路混亂.

圖1圖3是基于上述方法的時鐘振蕩器的框圖,其中三角波控制VCO輸出的頻譜展寬.(VCO的中心頻率由DAC和可編程8位分頻器控制,允許您將頻率設置在260kHz至133MHz之間.)圖1中的IC由2線接口控制,設置存儲在板載EEPROM.當預編程到所需頻率時,這些設備可以在獨立模式下工作,并且它們的頻率可以在飛行中更新-這是低功率應用的優勢.

圖1.DS1086可編程時鐘發生器的核心是由三角波控制的VCO.頻率通過2線接口預編程并存儲在板載EEPROM中.

圖2將普通晶體振蕩器的頻譜與擴頻石英振蕩器的頻譜進行比較.設置三角波幅度以使頻譜擴寬4％可將峰值幅度降低至比晶體時鐘振蕩器低近25dB.

圖2.晶體振蕩器的幅度與DS1086的振幅之間的差異為4％,接近25dB.

當使用擴頻振蕩器作為微處理器的時鐘源時,請確保μP能夠應對占空比,上升和下降時間以及與源中頻率變化相關的其他參數的容差.對于振蕩器用作參考的應用(例如,實時時鐘和實時測量),變化的頻率可能會增加相當多的誤差.

便攜式消費產品可以包括諸如蜂窩電話之類的無線電功能,并且擴頻技術適用于那些產品中的開關電源.無線電電路(尤其是VCO)容易受到電源噪聲的影響.需要開關電源以最大化電池壽命,但遺憾的是它們具有與音叉振蕩子類似的噪聲頻譜.該噪聲可以通過直接耦合到無線電電路來限制性能.

具有外部同步引腳的升壓轉換器(例如MAX1703)允許您使用擴頻時鐘控制其頻率.將自由運行的升壓轉換器(圖3)的噪聲頻譜與同步到擴頻時鐘的噪聲頻譜進行比較具有指導意義(圖4)).自由運行的升壓轉換器的泛音一直可見到10MHz,而擴頻加寬(圖4)將音調推入本底噪聲.請注意,該圖中的本底噪聲已經上升,因為總能量是恒定的.