1. 拆解前的認(rèn)知準(zhǔn)備晶振到底在手表里扮演什么角色智能手表能計時、能測心率、能連藍牙、能跑各種傳感器背后有一個不起眼但極其關(guān)鍵的元件在默默支撐那就是晶振。很多人拆開手表第一眼看到的是電池、屏幕排線、主控芯片往往忽略了主板上那幾個銀色的小方塊或小圓柱。實際上沒有晶振整塊手表連最基本的時間顯示都做不到。晶振的全稱是石英晶體諧振器它的核心原理是利用石英晶體的壓電效應(yīng)——給晶體施加電壓它會振動振動頻率又極其穩(wěn)定。把這個穩(wěn)定的振動頻率作為基準(zhǔn)系統(tǒng)就能精確地“數(shù)秒”。你可以把它理解成整個電路系統(tǒng)的“心跳起搏器”沒有它數(shù)字電路就是一堆不會動的硅片。在可穿戴設(shè)備這個品類里晶振的選型和布局比手機、電腦更苛刻。原因很簡單手表內(nèi)部空間極小電池容量有限還要同時跑藍牙、GPS、心率傳感器、加速度計等多個模塊。每個模塊對時鐘頻率的需求不同有的要32.768kHz做低功耗計時有的要24MHz或48MHz給主控和射頻做高速時鐘。這些晶振全部要塞進一塊指甲蓋大小的PCB上還要保證互不干擾這就是可穿戴設(shè)備硬件設(shè)計的核心難點之一。這篇文章適合誰看如果你是硬件工程師、嵌入式開發(fā)者、電子愛好者或者單純對智能手表內(nèi)部構(gòu)造好奇想搞清楚晶振在可穿戴設(shè)備里的真實存在感和設(shè)計門道那接下來的內(nèi)容會從拆解視角出發(fā)把晶振的類型、參數(shù)、布局、電路設(shè)計和常見問題全部講透。我會結(jié)合一塊典型智能手表的主板實拆把每個晶振的位置、作用、選型邏輯都拆開來說。2. 智能手表主板實拆晶振藏在哪些角落2.1 拆解工具與安全注意事項拆智能手表和拆手機不太一樣手表體積小、螺絲更細(xì)、排線更脆弱工具選擇上要更精細(xì)。我常用的工具組合是這樣的加熱臺或熱風(fēng)槍溫度設(shè)定在80到100攝氏度之間用來軟化屏幕膠水。溫度千萬別超過120度否則屏幕偏光片會起泡報廢。精密螺絲刀套裝手表后蓋通常用T2或T3梅花螺絲部分型號用十字或五角螺絲需要提前確認(rèn)。塑料撬棒和吸盤金屬撬棒容易刮傷外殼和劃斷排線塑料撬棒是首選。防靜電手環(huán)和防靜電墊手表主控芯片對靜電非常敏感尤其是晶振這種壓電元件靜電擊穿后外觀完全看不出來但頻率會漂移。放大鏡或體視顯微鏡晶振封裝很小3225封裝3.2mm x 2.5mm已經(jīng)算大的很多手表用的是2016甚至1612封裝肉眼很難看清絲印。注意拆解前務(wù)必斷開電池連接。智能手表即使關(guān)機電池仍然給RTC電路供電帶電操作時金屬工具碰到晶振引腳可能造成短路直接燒毀芯片。2.2 主板上的晶振分布實況拆開一塊典型的運動智能手表后主板通常是一塊不規(guī)則形狀的PCB面積大約在20mm x 30mm左右。在這塊小板上我實際找到了四顆晶振分別承擔(dān)不同職責(zé)第一顆32.768kHz圓柱晶振或貼片晶振位置通常緊挨著主控芯片的RTC引腳。這顆晶振負(fù)責(zé)實時時鐘也就是手表關(guān)機后仍然維持時間走動的那個“后臺時鐘”。它的頻率是2的15次方經(jīng)過15級二分頻后正好得到1Hz的秒信號。這顆晶振的精度直接決定了手表走時的月誤差。第二顆24MHz或26MHz貼片晶振一般靠近藍牙或Wi-Fi射頻芯片。這顆晶振為射頻收發(fā)提供載波基準(zhǔn)頻率精度要求極高通常需要±10ppm以內(nèi)否則藍牙連接會不穩(wěn)定甚至無法配對。第三顆32MHz或48MHz晶振靠近主控MCU或SoC。這是系統(tǒng)主時鐘的來源經(jīng)過PLL倍頻后給CPU核心、內(nèi)存控制器、外設(shè)總線提供工作時鐘。頻率越高芯片運行越快但功耗也越大。第四顆MEMS晶振或硅振蕩器部分新款手表開始用MEMS替代傳統(tǒng)石英晶振尤其是在運動檢測和傳感器融合模塊中。MEMS晶振的抗沖擊性能遠優(yōu)于石英晶振適合運動場景。下面這張表可以幫你快速對照不同晶振在手表中的典型參數(shù)晶振類型典型頻率封裝尺寸精度要求主要服務(wù)模塊功耗等級石英貼片晶振32.768kHz3215/2012±20ppmRTC實時時鐘極低石英貼片晶振24/26MHz3225/2016±10ppm藍牙/Wi-Fi射頻中等石英貼片晶振32/48MHz3225/2016±15ppm主控SoC中等MEMS振蕩器1-100MHz可編程2016/1612±20ppm傳感器融合低陶瓷諧振器4-16MHz3215±0.5%低成本外設(shè)低2.3 為什么手表里晶振數(shù)量比手機還多有人可能會問手機主板那么大晶振也就三四顆手表這么小為什么也要這么多核心原因在于功能隔離。手機的主控芯片集成度極高很多時鐘在片內(nèi)通過PLL生成外部只需要一兩顆基準(zhǔn)晶振。但手表的SoC往往不是為可穿戴專門設(shè)計的或者為了省電而犧牲了集成度導(dǎo)致很多模塊需要獨立的外部時鐘源。另外手表的低功耗要求使得RTC必須獨立供電、獨立計時不能依賴主控的高速時鐘。如果RTC和系統(tǒng)主時鐘共用一顆晶振那主控休眠時RTC也會停手表就失去了“永遠在線”的時間基準(zhǔn)。所以32.768kHz晶振在手表里幾乎是標(biāo)配而且必須獨立布局、獨立供電。3. 32.768kHz晶振電路設(shè)計手表走時精度的命門3.1 32.768kHz晶振的電氣參數(shù)解讀32.768kHz晶振看起來簡單但選型和電路設(shè)計上有不少門道。先看幾個關(guān)鍵參數(shù)負(fù)載電容CL這是晶振最重要的參數(shù)之一。石英晶振的標(biāo)稱頻率是在特定負(fù)載電容下測得的常見值有6pF、7pF、9pF、12.5pF。如果電路上的實際負(fù)載電容和晶振標(biāo)稱值不匹配頻率就會偏移。偏移量可以用下面的公式估算Δf/f ≈ (CL_實際 - CL_標(biāo)稱) × 2 × 10^-6舉個例子一顆標(biāo)稱7pF負(fù)載電容的晶振實際電路負(fù)載電容是9pF頻率偏移大約是(9-7)×2×10^-6 4ppm。換算成月誤差就是4×30×24×3600×10^-6 ≈ 10.4秒。一個月差十秒對于手表來說已經(jīng)很明顯了。等效串聯(lián)電阻ESR這個參數(shù)決定了晶振起振的難易程度。32.768kHz晶振的ESR通常在30kΩ到90kΩ之間低功耗設(shè)計要選ESR小的否則驅(qū)動電路需要更大的激勵功率反而增加功耗。但ESR太小也有風(fēng)險容易過驅(qū)動導(dǎo)致晶振老化加速。溫度特性石英晶振的頻率會隨溫度變化32.768kHz晶振的典型溫度曲線是拋物線型在25攝氏度附近最準(zhǔn)偏離越遠誤差越大。手表戴在手腕上溫度基本穩(wěn)定在30到35攝氏度所以實際走時誤差會比實驗室數(shù)據(jù)略大。激勵功率晶振的驅(qū)動功率不能太大也不能太小。太大加速老化太小不起振。典型32.768kHz晶振的推薦激勵功率在0.1μW到1μW之間。計算方法是測量流過晶振的電流有效值然后乘以晶振兩端的電壓有效值。3.2 晶振電路的外圍元件計算32.768kHz晶振的典型電路是一個皮爾斯振蕩器由晶振、兩個負(fù)載電容、一個反饋電阻和一個限流電阻組成。下面逐個說明負(fù)載電容C1和C2這兩個電容串聯(lián)后再與晶振的寄生電容并聯(lián)構(gòu)成實際負(fù)載電容。公式是CL (C1 × C2) / (C1 C2) Cstray其中Cstray是PCB走線和芯片引腳的寄生電容通常在2pF到5pF之間。假設(shè)晶振標(biāo)稱負(fù)載電容是7pFCstray估算為3pF那么(C1×C2)/(C1C2)需要等于4pF。如果C1C2則每個電容是8pF。實際選型時通常取C1C28pF或10pF然后通過實測頻率微調(diào)。反饋電阻Rf這個電阻的作用是給振蕩器提供直流偏置讓反相器工作在線性區(qū)。典型值在1MΩ到10MΩ之間。阻值太小會降低增益太大則容易受噪聲干擾。大多數(shù)MCU內(nèi)部已經(jīng)集成了這個電阻外部不需要再加。限流電阻Rs串聯(lián)在晶振和反相器輸出之間用來限制激勵功率。典型值在100Ω到1kΩ之間。如果發(fā)現(xiàn)晶振起振困難可以適當(dāng)減小Rs如果發(fā)現(xiàn)頻率漂移過快或晶振發(fā)熱就要增大Rs。實操心得很多新手會忽略Cstray的存在直接按晶振標(biāo)稱負(fù)載電容選C1和C2結(jié)果頻率偏了幾十ppm。我的做法是先用理論值選電容然后用頻率計實測32.768kHz輸出根據(jù)偏差調(diào)整電容。如果頻率偏正說明負(fù)載電容偏小需要增大C1和C2反之則減小。3.3 布局布線對走時精度的影響晶振電路的布局是硬件設(shè)計中最容易被忽視但影響最大的環(huán)節(jié)。我見過太多案例原理圖完全正確但PCB布局一塌糊涂導(dǎo)致晶振頻率漂移、起振困難甚至完全不起振。布局原則一晶振盡量靠近芯片引腳。走線越長寄生電容和寄生電感越大不僅影響頻率精度還容易引入噪聲。理想情況下晶振到芯片的距離不超過5mm走線寬度控制在6mil到8mil。布局原則二負(fù)載電容的地線要短而粗。C1和C2的接地端應(yīng)該直接連到芯片的GND引腳不要繞遠路。地線回路面積越小抗干擾能力越強。布局原則三晶振下方禁止走任何信號線。尤其是高頻信號線和電源線。晶振本身是一個高阻抗元件下方的任何噪聲都會耦合進來。如果PCB層數(shù)允許晶振下方應(yīng)該鋪完整的地銅皮。布局原則四晶振遠離發(fā)熱元件。電池、充電芯片、功率電感都是發(fā)熱大戶晶振靠近它們會導(dǎo)致溫度漂移。在手表這種密閉空間里熱設(shè)計尤其重要。布局原則五晶振外殼接地。對于貼片晶振外殼通常有接地焊盤一定要焊接到地。這層接地屏蔽能有效隔離外部電磁干擾。下面是一個典型的32.768kHz晶振布局檢查清單檢查項要求常見錯誤晶振到芯片距離5mm放在板邊遠離主控負(fù)載電容地線直接連芯片GND共用長地線晶振下方走線禁止下方走SPI或電源線晶振與發(fā)熱源距離10mm緊貼充電IC外殼接地必須懸空或只焊一個腳包地處理建議周圍無地銅皮4. 高速晶振與MEMS晶振在手表中的應(yīng)用差異4.1 24MHz射頻晶振的選型要點藍牙和Wi-Fi射頻對時鐘的要求比RTC苛刻得多。以藍牙為例藍牙協(xié)議要求載波頻率精度在±20ppm以內(nèi)實際設(shè)計中通常要求晶振精度在±10ppm以內(nèi)而且相位噪聲要低。24MHz是藍牙芯片最常見的參考時鐘頻率因為藍牙的2.4GHz載波可以通過24MHz倍頻100次得到。選型時要注意幾個參數(shù)頻率精度包括初始精度、溫度精度和老化精度。初始精度通常±10ppm溫度精度±10ppm年老化±3ppm。加起來最壞情況可能超過20ppm所以高端藍牙芯片會要求晶振總精度在±10ppm以內(nèi)或者芯片內(nèi)部集成電容修調(diào)功能。相位噪聲這個參數(shù)決定了藍牙信號的調(diào)制質(zhì)量。相位噪聲太差會導(dǎo)致誤碼率升高、連接距離縮短。典型24MHz晶振的相位噪聲在1kHz偏移處應(yīng)該在-140dBc/Hz以下。起振時間藍牙芯片從休眠喚醒到建立連接需要快速起振。晶振的起振時間通常在1ms到5ms之間低功耗藍牙要求起振時間越短越好因為起振期間芯片功耗較高。負(fù)載電容匹配和32.768kHz晶振一樣24MHz晶振的負(fù)載電容也要匹配。射頻晶振通常用9pF或12pF負(fù)載電容電路設(shè)計時要根據(jù)芯片手冊推薦的電容值來選。4.2 MEMS晶振為什么開始進入可穿戴設(shè)備MEMS晶振是用微機電系統(tǒng)工藝制造的硅基振蕩器和傳統(tǒng)石英晶振相比有幾個明顯優(yōu)勢抗沖擊和抗振動石英晶振是機械振動元件摔落或劇烈運動時容易損壞或頻率突變。MEMS晶振的硅結(jié)構(gòu)要堅固得多能承受超過10000g的沖擊。對于運動手表來說這個特性非常重要?？删幊填l率MEMS晶振可以在出廠后通過編程設(shè)置輸出頻率范圍通常從1MHz到100MHz。這意味著同一顆物料可以覆蓋多種頻率需求簡化供應(yīng)鏈管理。更小的封裝MEMS晶振可以做到1612甚至1210封裝比同頻率的石英晶振小一圈。對于空間極度緊張的手表來說每一毫米都珍貴。更低的功耗部分MEMS振蕩器的功耗比石英晶振低30%到50%尤其是在高頻輸出時優(yōu)勢更明顯。但MEMS晶振也有短板。相位噪聲通常比石英晶振差高端射頻應(yīng)用還是更傾向石英。頻率精度在常溫下可以做到±10ppm但溫度穩(wěn)定性不如TCXO溫度補償晶振。成本目前還是比普通石英晶振高尤其是高精度型號。我的判斷是在可穿戴設(shè)備里32.768kHz RTC還是石英晶振的天下因為石英在低頻下的功耗和精度綜合優(yōu)勢太明顯。但高速時鐘和傳感器時鐘MEMS的滲透率會越來越高。4.3 有源晶振和無源晶振的選擇邏輯有源晶振內(nèi)部集成了振蕩電路通電就輸出方波不需要外部負(fù)載電容和反饋電阻。無源晶振就是一個石英晶體需要芯片內(nèi)部的振蕩器配合才能工作。在手表里32.768kHz幾乎都是無源晶振因為功耗極低而且MCU內(nèi)部已經(jīng)集成了振蕩電路。高速時鐘部分如果芯片內(nèi)部沒有集成振蕩器或者對頻率精度要求特別高就會用有源晶振。有源晶振的優(yōu)勢是設(shè)計簡單、精度高、起振快。缺點是功耗大、成本高、封裝大。在手表這種對功耗和空間極度敏感的設(shè)備里能不用有源就不用。但有些射頻芯片確實需要外部有源晶振提供超低相噪的參考時鐘那就沒得選。下面這張表對比了三種常見方案在手表中的適用場景方案類型典型頻率功耗精度設(shè)計復(fù)雜度手表適用場景無源石英晶振32.768kHz極低±20ppm中等RTC必備無源石英晶振24/32MHz低±10ppm中等藍牙/主控有源晶振24/48MHz中等±5ppm低高端射頻MEMS振蕩器可編程低±20ppm低傳感器/運動檢測5. 晶振相關(guān)常見問題與排查實錄5.1 手表走時不準(zhǔn)的排查思路走時不準(zhǔn)是智能手表最常見的晶振相關(guān)問題。排查時按以下順序進行第一步確認(rèn)是RTC問題還是系統(tǒng)時間同步問題。讓手表斷開藍牙和Wi-Fi靜置24小時對比標(biāo)準(zhǔn)時間。如果誤差在幾秒以內(nèi)說明RTC正常問題出在網(wǎng)絡(luò)同步。如果誤差超過30秒基本可以確定是32.768kHz晶振電路問題。第二步測量32.768kHz輸出頻率。用頻率計或者示波器帶頻率測量功能探頭接在晶振的輸出引腳或者RTC的時鐘輸出引腳。注意探頭電容會影響頻率盡量用低電容探頭10pF。實測頻率和標(biāo)稱頻率的偏差就是頻率誤差。第三步檢查負(fù)載電容。如果頻率偏正說明負(fù)載電容偏小偏負(fù)則偏大。根據(jù)偏差量調(diào)整C1和C2。每次調(diào)整后重新測量直到頻率誤差在±5ppm以內(nèi)。第四步檢查溫度影響。把手表放在不同溫度環(huán)境下比如冰箱冷藏室和室溫觀察頻率變化。如果溫度變化30度頻率漂移超過50ppm說明晶振的溫度特性太差需要換更高規(guī)格的晶振或者加溫度補償。第五步檢查PCB布局。如果以上都正常但走時仍然不穩(wěn)就要懷疑布局問題。重點檢查晶振下方是否有走線、地線是否完整、晶振是否靠近發(fā)熱源。5.2 晶振不起振的常見原因晶振不起振是硬件調(diào)試中的經(jīng)典問題原因通常有以下幾種驅(qū)動能力不足MCU內(nèi)部的振蕩器增益不夠無法克服晶振的ESR。解決方法是換ESR更小的晶振或者減小限流電阻Rs。負(fù)載電容不匹配電容太大導(dǎo)致環(huán)路增益下降太小則頻率偏移太大。用示波器看晶振引腳波形如果正弦波幅度很小或者波形畸變就是負(fù)載電容問題。PCB漏電晶振引腳之間的PCB表面如果有助焊劑殘留或者濕氣會形成漏電通路導(dǎo)致振蕩器無法起振。用酒精清洗PCB并烘干后再試。晶振損壞靜電擊穿、機械應(yīng)力、過驅(qū)動都會導(dǎo)致晶振損壞。換一顆新晶振試試如果換了就好說明原晶振已損壞。芯片配置錯誤有些MCU需要軟件配置才能啟用外部晶振比如設(shè)置時鐘源選擇寄存器、使能振蕩器、配置起振時間等。檢查芯片手冊確認(rèn)配置正確。實操心得我遇到過一次晶振不起振查了半天電路和布局都沒問題最后發(fā)現(xiàn)是MCU的時鐘配置寄存器寫錯了外部晶振使能位沒有置1。這種問題最坑因為硬件完全正常但軟件沒給“啟動信號”。所以排查時一定要軟硬結(jié)合先確認(rèn)軟件配置再動硬件。5.3 晶振頻率漂移的排查與解決頻率漂移比不起振更隱蔽因為手表能走但走不準(zhǔn)。漂移的原因和解決方法如下漂移現(xiàn)象可能原因排查方法解決方案常溫下頻率偏正負(fù)載電容偏小測量實際負(fù)載電容增大C1/C2常溫下頻率偏負(fù)負(fù)載電容偏大測量實際負(fù)載電容減小C1/C2溫度升高頻率變負(fù)晶振溫度特性高低溫測試換TCXO或補償頻率隨機跳動噪聲耦合檢查晶振下方走線重新布局加屏蔽老化后頻率偏移晶振老化長期監(jiān)測換高品質(zhì)晶振摔落后頻率突變晶振機械損傷更換晶振換MEMS晶振5.4 晶振布局的獨家避坑技巧布局問題導(dǎo)致的晶振故障往往最難排查因為原理圖看不出來只有PCB實物才能發(fā)現(xiàn)問題。以下是我踩過坑之后總結(jié)的幾條經(jīng)驗技巧一晶振包地要完整。在晶振周圍畫一圈地線并通過過孔連接到內(nèi)層地平面。這圈地線要盡量寬至少10mil。包地的作用是隔離外部電磁場尤其是手表里的藍牙天線輻射。技巧二負(fù)載電容的地回路要獨立。C1和C2的接地端不要和數(shù)字電路的GND混在一起應(yīng)該單獨走一根地線到芯片的GND引腳。數(shù)字電路的地噪聲很大混在一起會調(diào)制晶振頻率。技巧三晶振走線不要換層。如果晶振走線從頂層換到底層過孔的寄生電感會影響振蕩器的工作。盡量在同一層完成晶振到芯片的連接。技巧四晶振下方鋪地要完整。不要在晶振下方走任何信號線包括低速信號。如果實在避不開至少保證晶振正下方有一層完整的地平面。技巧五晶振遠離板邊。板邊容易受到機械應(yīng)力和外部電磁場的影響。晶振距離板邊至少3mm。技巧六點膠固定。對于圓柱晶振在焊接后用少量硅膠或UV膠固定在PCB上防止振動導(dǎo)致引腳疲勞斷裂。貼片晶振一般不需要但如果產(chǎn)品有跌落要求可以在晶振四角點膠。6. 從拆解到設(shè)計可穿戴設(shè)備晶振選型決策框架6.1 按功能模塊確定晶振需求可穿戴設(shè)備的晶振選型應(yīng)該從功能模塊出發(fā)而不是先選晶振再想怎么用。我的決策流程是這樣的第一步列出所有需要時鐘的模塊。典型手表包括RTC、藍牙、Wi-Fi部分型號、GPS部分型號、主控MCU、傳感器融合協(xié)處理器、顯示屏控制器、觸控控制器。第二步確定每個模塊的時鐘頻率和精度要求。RTC需要32.768kHz精度±20ppm即可。藍牙需要24MHz或26MHz精度±10ppm。GPS需要TCXO級別的精度通?！?.5ppm到±2ppm。主控需要24MHz到48MHz精度±30ppm即可。第三步判斷哪些時鐘可以共用。如果主控和藍牙的參考時鐘頻率相同可以共用一顆晶振通過時鐘緩沖器分配。但要注意負(fù)載效應(yīng)共用晶振時每個負(fù)載都會影響頻率。第四步選擇晶振類型。低頻RTC用無源石英晶振高頻射頻用無源石英晶振或TCXO傳感器用MEMS振蕩器低成本外設(shè)用陶瓷諧振器。第五步驗證功耗預(yù)算。晶振的功耗雖然不大但在手表里每一微安都重要。32.768kHz晶振的功耗通常在1μW以下24MHz晶振的功耗在10mW左右。如果系統(tǒng)有嚴(yán)格的功耗預(yù)算要優(yōu)先選擇低功耗晶振。6.2 晶振供應(yīng)商選擇與來料檢驗晶振市場魚龍混雜選供應(yīng)商不能只看價格。我的經(jīng)驗是看規(guī)格書是否完整。正規(guī)供應(yīng)商的規(guī)格書會給出頻率精度、負(fù)載電容、ESR、溫度特性、老化率、激勵功率等完整參數(shù)。如果規(guī)格書只有頻率和封裝其他參數(shù)都含糊其辭這種晶振不要用。看批次一致性。買不同批次的晶振測量頻率分布。如果批次間頻率偏差超過5ppm說明供應(yīng)商的工藝控制不好量產(chǎn)時會出問題?？礃悠穼崪y。拿到樣品后在標(biāo)稱負(fù)載電容下測量頻率在高溫和低溫下測量頻率漂移在振動臺上測試頻率穩(wěn)定性。這些測試能篩掉大部分不合格供應(yīng)商。看來料檢驗。量產(chǎn)時每批晶振都要抽檢頻率和ESR。頻率用頻率計測ESR用阻抗分析儀測。沒有這些設(shè)備的話至少要做上機測試看起振是否正常、頻率是否在允許范圍內(nèi)。6.3 晶振電路的調(diào)試與驗證流程晶振電路設(shè)計完成后調(diào)試和驗證是保證量產(chǎn)一致性的關(guān)鍵。我通常按以下流程走第一輪功能驗證。焊接樣板上電后測量晶振輸出頻率確認(rèn)起振正常、頻率在標(biāo)稱值±20ppm以內(nèi)。用示波器觀察波形確認(rèn)正弦波干凈、無畸變。第二輪溫度測試。把樣板放入高低溫箱從-20攝氏度到60攝氏度循環(huán)每個溫度點穩(wěn)定30分鐘后測量頻率。記錄頻率-溫度曲線確認(rèn)在手表工作溫度范圍內(nèi)通常0到45攝氏度頻率偏差在允許范圍內(nèi)。第三輪振動測試。把手表固定在振動臺上按運動手表的振動標(biāo)準(zhǔn)比如5Hz到500Hz掃頻測試監(jiān)測頻率是否跳變。如果頻率在振動時抖動超過10ppm說明晶振固定不牢或者布局有問題。第四輪老化測試。在常溫下連續(xù)通電30天每天測量頻率。老化率應(yīng)該在±3ppm/年以內(nèi)。如果老化太快說明晶振激勵功率過大或者晶振質(zhì)量不好。第五輪批量一致性測試。小批量生產(chǎn)50到100塊手表測量每塊的走時誤差。如果走時誤差分布太散說明晶振電路對元件容差太敏感需要優(yōu)化設(shè)計。6.4 晶振技術(shù)趨勢與可穿戴設(shè)備的未來匹配從拆解和設(shè)計實踐來看可穿戴設(shè)備的晶振技術(shù)正在往幾個方向走更小封裝從3225到2016再到1612晶振封裝越來越小。但封裝越小ESR越大起振越難對振蕩器設(shè)計的要求越高。更低功耗32.768kHz晶振的功耗已經(jīng)很低了但新一代產(chǎn)品還在追求更低的驅(qū)動電流。有些晶振的驅(qū)動電流已經(jīng)降到100nA級別。更高集成度把晶振和振蕩電路集成在一個封裝里甚至把多個頻率的晶振集成在一個模塊里。這樣可以減少PCB面積和設(shè)計復(fù)雜度。MEMS替代加速隨著MEMS晶振的相位噪聲改善和成本下降它在可穿戴設(shè)備中的滲透率會繼續(xù)提高。尤其是運動手表和健康監(jiān)測設(shè)備MEMS的抗沖擊優(yōu)勢太明顯了。溫度補償集成TCXO在手表里的應(yīng)用會越來越多尤其是支持GPS的手表。把溫度補償電路集成到晶振封裝里可以簡化設(shè)計并提高精度。我在實際項目中最大的體會是晶振選型不能只看參數(shù)表一定要結(jié)合具體應(yīng)用場景做取舍。32.768kHz晶振的負(fù)載電容匹配和布局是手表走時精度的命門高速晶振的相位噪聲和起振時間是藍牙連接穩(wěn)定性的關(guān)鍵MEMS晶振的抗沖擊特性是運動場景的保障。每一顆晶振背后都有一套設(shè)計邏輯拆開手表看到的不只是元件而是整個時鐘樹的設(shè)計哲學(xué)。最后分享一個實用小技巧如果你在調(diào)試晶振時手頭沒有頻率計可以用示波器的高分辨率模式測量32.768kHz信號的周期然后取倒數(shù)得到頻率。雖然精度不如頻率計但足夠判斷頻率是否在允許范圍內(nèi)。測量時記得用低電容探頭并且探頭地線要盡量短否則探頭本身的電容和電感會影響測量結(jié)果。