Kryształ 32 kHz nie działa zgodnie z oczekiwaniami

Próbuję rozwiązać ten problem od kilku dni, czytając o typowej operacji / konfiguracji kryształu i jestem zagubiony. Próbowałem wyszukać tutaj, ale nie spotkałem się z czymś podobnym do mojego problemu, więc przepraszam, jeśli gdzieś przegapiłem swoje rozwiązanie.

Próbuję uruchomić RTC off kryształu zewnętrznego za pomocą PIC, ale kryształ nie oscyluje, kiedy się go spodziewać się, i jest oscylujące w innych okolicznościach, i nie mogę żadnego sensu z nim. Nie jestem jednak EE, więc prawdopodobnie po prostu jestem super ignorantem.

Kryształ: LFXTAL016178 . Jestem całkiem pewien, że ponieważ nic nie ma na liście, jest to równoległy kryształ rezonansowy. Jego pojemność obciążenia wynosi 6 pF, co okazało się dość rzadkie? Nie jestem pewny.

PIC: PIC24FJ128GB204 . Podłączyłem kryształ, jak sugeruje arkusz danych, ale nie zapewnia on wyraźnej pomocy w wyborze kondensatorów obciążenia, więc przeszukałem i znalazłem w Internecie inne zasoby, aby mi tam pomóc.

Konfiguracja: z kilku źródeł zauważyłem, że dobrą zasadą dla kondensatorów obciążenia jest $C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$ , zwiększając pojemnośćdoimiędzy 2 a 5 pF. Wybrałem, co moim zdaniem, średnią wartość 6pF dla obu kondensatorów i nadal nie jestem pewien, jak zły był ten wybór.$C_1$$C_2$

Oto zdjęcie mojego schematu: Układ:

Przypadki, w których to nie działa:

• Jak pokazano na schemacie, z kondensatorami obciążeniowymi 6pF na obu pinach, nie oscyluje. Chyba że oscyluje co 10 minut czy coś.
• Po usunięciu kondensatorów oscyluje bardzo wolno, może około 2,5 razy wolniej niż powinien. Nie zmierzyłem tej prędkości.
• Z dodatkowymi kondensatorami 6pF wlutowanymi na górze, aby utworzyć kondensatory 12pF, nie oscyluje.
• Z 3 kondensatorami pF i rezystorem 10 MOhm na stykach. (Zegar RTCC jest zmienny.)

Przypadki, w których to robi pracę:

• Kiedy sonduję pin SOSCI za pomocą oscyloskopu. W pierwszych trzech powyższych przypadkach, gdy tylko dotknąłem sondy do pinu SOSCI, uruchomił się i dał mi ładną czystą falę sinusoidalną. Nie zrobiło tego, kiedy dotknąłem styku SOSCO, LUB kiedy użyłem kondensatorów 3pF. Wiem, że to wcześniej nie działało, ponieważ niektóre diody LED powinny migać co sekundę, które migały tylko przy podłączonej sondzie. (Nie wiem wszystkiego o oscyloskopach, po prostu wiem, jak je obsługiwać. Sonda mówi 6MHz / 1MOhm / 95pF, a zakres mówi 60 MHz / 1 GS / si 300V CAT II, ​​gdzie łączy się sonda. To Tektronix TDS 2002, jeśli to coś dla każdego znaczy.)
• Kiedy podłączę rezystor 330 Ohm między SOSCI a masą. Jest to jeden z dwóch rezystorów, które mam pod ręką; 10k wyglądało na to, że działało z około połową właściwej częstotliwości.
• Z 3 kondensatorami pF, ale przy 14 kHz.

Oto niektóre częstotliwości, które zmierzyłem:

• (12 pF Caps) Sonda częstotliwości dotykająca SOSCI: 32,7674 kHz
• (12 pF Caps) Częstotliwość wyjściowa przez PIC z obniżeniem 330 Ω w SOSCI: 32,764 kHz
• (12 pF Caps) Częstotliwość wyjściowa przez PIC przy użyciu LPRC: 32,68 kHz
• (3 pF Caps) Częstotliwość wyjściowa przez PIC: 14,08 kHz

Zasadniczo chciałbym wiedzieć, dlaczego czasami oscyluje idealnie, gdy używam sondy lunety, i jakie powinno być prawidłowe rozwiązanie, aby działało tak, jak chcę.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

Producent MCU prawdopodobnie ponosi winy. Nie ma absolutnie żadnej wymówki, aby nie projektować nowoczesnego oscylatora MCU RTC do niezawodnego działania z dowolnym typowym komercyjnie dostępnym kryształem 32 kHz.

Niestety, przeciwieństwo jest znacznie częstsze, jak już odkryłeś - w twoim przypadku arkusz danych MCU nie wspomina, że ​​pojemność obciążenia 6pF nie działa.

Głównym problemem jest to, że masz do czynienia z systemem dwóch komponentów , wykonanym przez dwóch różnych producentów. Jeden mówi krzemem, a drugi kwarcem i nigdy nie ustalili, jak powiedzieć projektantom, jak niezawodnie współpracują ze sobą ich produkty.

Tak więc, jak się dowiedziałeś, kryształowy oscylator może być pułapką dla niemęczących. Widziałem poważną linię produkcyjną w branży motoryzacyjnej, która zatrzymała się z powodu problemów z uruchomieniem oscylatora kwarcowego!

W każdym razie, aby przejść do pytania DLACZEGO , w grę wchodzą cztery ważne parametry:

1. Impedancja wyjściowa oscylatora MCU. Różni się to w zależności od częstotliwości i często komplikują go bity konfiguracji, takie jak „poziom napędu” lub „poziom mocy”. Nigdy nie widziałem tych wartości określonych / gwarantowanych przez żadnego producenta MCU.

2. Impedancja wejściowa zewnętrznej sieci „pi” kondensator-kryształ-kondensator Jest to przede wszystkim determinowane przez kondensator po stronie wejściowej, który z kolei jest określany przez pojemność obciążeniową określoną przez wytwórcę kryształów.

3. $G_m$

4. Wzmocnienie napięcia (faktycznie strata) zewnętrznego obwodu Cap-Xtal-Cap „Pi” przy rezonansie. Jest to głównie determinowane przez wewnętrzną równoważną rezystancję szeregową (ESR) kryształu. Wspomniany kryształ określa ESR = 50k. Odporność wzrasta również z wiekiem (ponieważ wilgoć / zanieczyszczenia wyciekują do obudowy kryształu) i zależy również od temperatury / czasu lutowania. (Zanieczyszczenia w obudowie kryształu odparowują i osadzają się na kwarcu). ESR może również znacznie różnić się między partiami produkcyjnymi. 50 k to dość typowa ESR dla kryształu 32 kHz - najniższa wartość, jaką widziałem przy 32 kHz dla kryształów o małym współczynniku kształtu, to 30 k.

Aby dowolny oscylator działał, całkowity przyrost napięcia, który jest iloczynem (3) i (4), musi wynosić > 1. Ponadto faza wzmocnienia (tak, wzmocnienie jest liczbą zespoloną) musi wynosić 360 stopni. Około połowa fazy, 180 stopni, jest zapewniona przez wzmacniacz odwracający, a „drugą inwersję” zapewnia sieć cap-xtal-cap.

Oto prosta symulacja online, która może pomóc ci zrozumieć, w jaki sposób wzmocnienie, impedancja wyjściowa i wartości kondensatora oddziałują i wpływają na uruchamianie. Kliknij dowolny składnik prawym przyciskiem myszy, aby zmienić jego wartość. (Uwaga - ta symulacja wykorzystuje resztkowe napięcie kondensatora 1mV do fałszywego rozruchu, ale w rzeczywistości szum we wzmacniaczu jest źródłem rozruchu, tak jak w tym przypadku )

Co się stało w twoim przypadku? Najprawdopodobniej projektant oscylatora MCU zaprojektował swój stopień wyjściowy tak, aby niezawodnie działał z kryształami obciążonymi 12,5pF, i okazało się, że przy obciążeniu 6pF albo wymagania dotyczące przyrostu napięcia, albo fazy nie były po prostu spełnione. Ponieważ nic o założeniach projektowych nie zostało podane w karcie danych, voila, problem dla ciebie - i wiele innych.

Wow, co powinien zrobić projektant osadzony?

Po pierwsze, zawsze pamiętaj, że oscylator z kryształu brzeżnego może kosztować Twoją firmę dużo pieniędzy.

Po drugie, w świetle powyższego, zwłaszcza jeśli brakuje Ci doświadczenia lub jeśli twój dostawca MCU nie określa parametrów kryształu w arkuszu danych , najlepszą inwestycją może być zewnętrzny oscylator małej mocy 32 kHz.

Po trzecie, upewnij się, że używasz kryształu z ESR i pojemnością określoną przez producenta MCU. Jeśli nie widzisz żadnych w karcie danych, poproś dostawcę o listę zalecanych numerów części kryształów lub wybierz MCU, który to robi.

Po czwarte, test, test, test! Przez wszystkie napięcia i temperatury . Zwróć uwagę, jak długo trwa uruchamianie, mierząc czas w oprogramowaniu układowym za pomocą zegara RC, jeśli to możliwe, a jeśli jednostki produkcyjne przekraczają normę, powiedzmy 2x, pozwól testowemu oprogramowaniu ustawić flagę, aby można go było zauważyć w testach produkcyjnych. W ten sposób jednostki produkcyjne nie mogą wyjść z drzwi z marginalnymi oscylatorami bez dzwonienia dzwonków alarmowych.

Co robią doświadczeni inżynierowie weryfikacji produkcji?

Rozwiązują ogólny brak odpowiednich informacji, wymagając 10-krotnego marginesu bezpieczeństwa między „tym, co działa” a „tym, co działa niezawodnie” - mierzą rzeczywistą ESR, a następnie dodają 10-krotną dodatkową „odporność na utrudnienia” szeregowo z kryształem do sieć cap-xtal-cap. Jeśli system „upośledzony ESR” działa we wszystkich kombinacjach napięcia i temperatury , zakłada się, że 10-krotny margines bezpieczeństwa jest wystarczający do pokrycia nieznanych różnic zarówno wzmocnienia ESR, jak i MCU. Jest to częściowo wyjaśnione na rysunku 3 niniejszej noty aplikacyjnej.

Co powinieneś zrobić?

Jeśli z jakiegokolwiek powodu nie możesz wykonać powyższego testu i chcesz sprzedać produkt w tysiącach, z pewnością lepiej zainwestować dodatkowe grosze w gotowy do użytku oscylator 32 kHz od dostawcy oscylatora, który przeprowadził wszystkie testy dla ty , lub przełączając się na MCU, który określa konkretny kryształ (lub wymagania dotyczące kryształów) w karcie danych urządzenia.

Chociaż możesz „naprawić” sytuację, wybierając kryształ o niższym oporze wewnętrznym i / lub grając z różnymi / asymetrycznymi wartościami kondensatorów, twoje rozwiązanie może być marginalne z powodów wyjaśnionych powyżej.

TL; DR:

Oscylatory kryształowe mogą kosztować Twój biznes dużo czasu i pieniędzy. Jeśli to możliwe, użyj zewnętrznego oscylatora lub wykonaj test „upośledzonego ESR”, jak opisano powyżej, dla wszystkich zakresów napięcia i temperatury.

Na koniec należy użyć kondensatorów NPO dla stabilności temperatury.

Działają się dwie główne rzeczy:

1. Nie masz wystarczającej pojemności obciążenia.

2. Nie rozumiesz pojemności obciążenia.

Wyobraź sobie, że jedna strona kryształu jest napędzana falą sinusoidalną o częstotliwości kryształu. Ten sygnał ma niską impedancję. Pojemność obciążenia to pojemność, którą umieszczasz po drugiej stronie kryształu, aby spowodować przesunięcie fazowe o 180 °.

Przesunięcie fazowe takich kryształów zmienia się szybko w zależności od częstotliwości przy częstotliwości roboczej kryształów. Ponieważ faza jako funkcja częstotliwości jest bardzo stroma w samej częstotliwości roboczej, dobrze jest wykorzystać obwód sterujący, aby upewnić się, że kryształ działa z zamierzoną częstotliwością. Tego typu obwody oscylują optymalnie, gdy kryształ przesuwa fazę wejściową o 180 °. Ponieważ tylko niewielka zmiana częstotliwości zakłóca to, powstałe oscylacje są bardzo zbliżone do zamierzonej częstotliwości kryształu.

Teraz wróć do swojego obwodu. Ważną wskazówką jest to, że rzeczy działają, gdy umieścisz sondę zakresu na pinie wejściowym oscylatora. To, co robi, to dodanie pojemności po stronie wyjściowej kryształu. Najwyraźniej, przy ustawieniach, które posiadasz, dodatkowa pojemność sondy zakresu powoduje, że kryształ przesuwa fazę o odpowiednią wartość, aby system mógł oscylować. Jeśli sam dodasz więcej pojemności tylko do wyjścia kryształu , powielasz efekt sondy lunety i wszystko będzie działać. Spróbuj jeszcze 10 pF na początek.

Nie używaj formuł znajdujących się na drugim końcu Internetu bez ich zrozumienia. Przedstawione równanie zawiera wiele założeń, niektóre z nich są nieprawidłowe. Niestety, istnieje wiele konwencjonalnych głupot dotyczących kryształów.

Sam kryształ jest jedynie urządzeniem z dwoma zaciskami i nie „wie” niczego o uziemieniu obwodu. Ostatecznie pojemność obciążenia jest tym, co jest na jej zaciskach. Konwencjonalna głupota mówi zatem o stosowaniu dwóch równych kondensatorów z każdej strony kryształu do ziemi. Ponieważ są one połączone szeregowo, każda z nich musi być dwukrotnie większa od pożądanej pojemności. Jednak jakakolwiek pojemność błądząca do ziemi, którą uważasz, że jest po każdej stronie kryształu, należy odjąć od tych pojemności.

Problem z konwencjonalną głupotą polega na tym, że ignoruje ona impedancję wyjścia sterownika kryształu. Rozważ skrajny przypadek, w którym jest to 0. W takim przypadku pojemność dodana po stronie wejściowej kryształu jest całkowicie nieistotna, ponieważ jest równoległa do impedancji 0 sterownika. Obciążenie kryształu jest wówczas tylko pojemnością na jego wyjściu.

Zrób trochę matematyki. Impedancja 6 pF przy 32,8 kHz wynosi 810 kΩ. Impedancja sterownika kryształu z pewnością nie jest równa zeru, ale jest prawdopodobnie znacząca w stosunku do 810 kΩ.

Zastanów się, co naprawdę robią poszczególne czapki. Ten na wejściu ładuje sterownik kryształu. Głównym celem tego jest tłumienie niektórych harmonicznych wychodzących z przetwornika. To mniej uderza w kryształ i zmniejsza prawdopodobieństwo, że cały układ oscyluje w harmonicznej. Crytals mają złożone właściwości przenoszenia. Mogą mieć takie same cechy przy harmonicznych jak przy zamierzonej częstotliwości roboczej. Niektóre kryształy są cięte, aby celowo umożliwić użycie przy harmonicznych, w przemyśle nazywanym trybem nadtonowym .

Pojemność na wyjściu jest prawdziwą pojemnością „obciążającą”. Jego reaktancja działa w stosunku do reaktancji kryształu, aby przesunąć fazowo wynik o odpowiednią ilość na właściwej częstotliwości.

W twoim przypadku kryształ jest oceniany na obciążenie 6 pF, i to właśnie umieszczasz na jego wyjściu. To powinno było zadziałać. Domyślam się, że to, co się dzieje, to że korek na wejściu kryształu, naprawdę na wyjściu sterownika kryształu, również spowodował przesunięcie fazowe, które działało w przeciwieństwie do ograniczenia obciążenia. W ramach testu spróbuj zdjąć nasadkę z wejścia kryształu i pozostaw 6 pF na wyjściu. Byłoby miło zobaczyć kształt fali na wejściu kryształu, ale nawet sonda 10x może to zmienić. Spróbuj mimo to, ale upewnij się, że sonda zakresu jest ustawiona na najwyższą impedancję, a zatem możliwie najniższą pojemność.

Dwie nakrętki i kryształ działają jak przesunięcie fazowe o 180 stopni. Wielkości dwóch czapek (stosunek) będą określać współczynnik przenoszenia napięcia. 6Pf brzmi trochę cicho, problem polega na tym, jaki jest punkt obliczeniowy równoległego obciążenia kryształem? Nie chcesz odejść daleko od tej wartości. Zwykle mam 27pf z każdej strony.

Widzę też jedno sode, jeśli kryształ jest podłączony bezpośrednio do wyjścia procesora. Ta moc wyjściowa może być niska Z, która może przesłonić kryształ. Pamiętaj, że specyfikacja napędu tych kryształów zegarka jest niewielka, bardzo łatwa do przejechania. Seria R o wartości 100 K może być użyta do zmniejszenia napędu kryształów.

Upewnij się, że procesor ma wewnętrzny rezystor polaryzujący 1–10 megapikseli od wyjścia do wejścia. Wspomniałeś, że zaczyna oscylować po dotknięciu sondy zakresu. Może to być problem z odchyleniem prądu stałego (wydaje mi się, że sonda o zasięgu 10 Meg) lub prawdopodobnie nasadka sondy regulująca dostrojony współczynnik przenoszenia obwodu.

Bądź naprawdę czysty (bez rozproszonego strumienia) i naprawdę krótkie przewody. To prawdziwy obwód Hi Z.

Bob K.

Ponadto: „Standardowe” sondy, których używam, wynoszą x 100, ponieważ zapewniają one najmniejszą pojemność, przypominam sobie około 1,5 pp. Użycie x 10 jest trudne w tym obwodzie, x 1 jest bezużyteczne. Ues x 100 i podkręć wzmocnienie pionowe lunety, spraw, aby front end wykonał swoją pracę. Sondy X 1 są prawie bezużyteczne dla wysokich Z lub dużych prędkości. Spodoba ci się x 100 wykonujący prace cyfrowe, ponieważ prądy klipu GND spadną 10-krotnie. Spróbuj.

Przy 32 kHz nie są to typowe kryształy cięte w XT / AT, ale zamiast tego są to kryształy zegarków cyfrowych, małe „widelce tuningowe” o długości kilku mm.

Ponieważ reaguje na dotyk, odchylenie DC podane przez PIC może być błędne. Spróbuj dodać rezystancję o dużej wartości podłączoną między kołkami oscylatora (10 Meg, a nawet 22 Meg.)

Możliwe, że twój kryształ może zostać uszkodzony przez przesterowanie. (Jedna referencja sugeruje uwzględnienie ponad 100K rezystancji między pinem SOSC a kryształem.)

Aby uzyskać więcej informacji, przeczytaj arkusze specyfikacji starszych układów z oscylatorami używającymi tych kryształów kamertonowych o niskiej częstotliwości ...

strona 10 tutaj: http://www.abracon.com/Support/Tuning-Fork-Crystals-and-Oscillator.pdf

http://www.ti.com/lit/an/slaa322d/slaa322d.pdf

PS Zauważam, że elektroniczna kopalnia złota ma obecnie tanie widelce do strojenia „kryształków zegarka” o nietypowych częstotliwościach, a nie 32 KHz

Z mojego doświadczenia i większości OEM takich TI, zalecam zewnętrzne sprzężenie zwrotne 1MOhm, a nie 10M, które już są w środku. Kamertony rezonatorowe mają wysoki ESR i mają znacznie niższe progi uszkodzeń uW niż w trybie XT lub kryształów AT ciętych.

.ostrzeżenie. Zignorowanie notatek Mfg lub OEM App Notes może być uszkodzone.

Jest to równoległy obwód rezonansowy. Rezonans to przesunięcie fazowe o wysokiej impedancji o 180 stopni, które po inwersji daje dodatnie sprzężenie zwrotne. Wewnętrznie występuje sprzężenie zwrotne o wysokiej wartości R o wartości 10 M, które w DC służy do samosprawiania wejścia na Vdd / 2 w celu uzyskania fali prostokątnej o średnim napięciu DC Vdd / 2.

Jeśli wejściowy prąd stały nie jest bliski tej wartości, Vdd / 2, gdzie działa jako liniowy wzmacniacz odwracający, wyjście zostanie zablokowane na „1” lub „0”. Spodziewałbym się, że 330 omów między wejściowymi SOSCI a Vss lub Vdd wystarczająco zmieni odchylenie i zatrzyma zegar. Jest to sprzeczne z testami z 330 Ohm na 0 V i ma sens tylko wtedy, gdy odwrócisz Wejścia i Wyjścia, ponieważ tylko wyjściowy SOSCO może to sterować.

Pojemność ruchowa wynosi tylko około 3,5 fF (fentofarady) z indukcyjnością około 35 kH i ESR 35 ~ 70 kOhm. Określa to optymalne parametry rezonatora do oscylacji przy 32768 Hz. Q wynosi> 10k.

Jeśli czytasz aplikację Microchip. Uwaga, zaleca; jednym z nich jest http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• dodaj zewnętrzne sprzężenie zwrotne 1M, aby zmniejszyć potencjalne błędy wynikające z zanieczyszczenia wycieku powierzchniowego i błędnego nastawienia
• dodaj serię R, aby zapobiec nadmiernemu napędowi uW, np. 10k i przetestuj to pod kątem marginesu przy braku oscylacji marginesu Rs / (sRs + ESR)> 2 = marginalna, 3 = lepsza, 5 = najlepsza Zapewnia to wystarczające wzmocnienie pętli do oscylacji.
• jeśli używasz nierównych nasadek, zmniejsz nasadkę wejściową, aby umożliwić pojemność wejściową.
• wyczyść wszystkie podkładki topnika
• rozważ wyspę z lukami ochronnymi wokół całego cct, a następnie sygnał wartownika obwodowego lub gnd. w celu zmniejszenia interferencji palców lub przesłuchu.

Twoja jedyna poważna wada konstrukcyjna polegała na tym, że wypełnienie miedziane wokół wszystkich ścieżek dodaje zbyt dużej pojemności i zmniejsza sprzężenie zwrotne przesunięcia fazowego ze 180 do 90 stopni, przy czym jeżeli wzmocnienie pętli jest niewystarczające, nie będzie oscylować ani wymuszać niższego rezonansu. Ten układ zmusza do wybrania xtal wymagającego większych ograniczeń obciążeń dla stabilności, aby spełnić kryteria Barkhausen.

Te odstępy między ścieżkami powinny być takie same lub nie mniejsze niż odstępy między padem IC, ponieważ zbłąkany C gnd jest odwrotny do odstępu.

Chociaż porady Microchip poprawiają marżę, nie przewidywali użytkowników, którzy używają agresywnych miedzianych szczelin wypełniających <0,1 mm.

Sonda 1: 1 ma zbyt dużą indukcyjność uziemienia i pojemność koncentryczną, a 1M zakłóci również napięcie wejściowe prądu stałego.