Кристал 32 кГц не працює, як очікувалося

Я намагаюся вирішити цю проблему вже пару днів, читаючи про типову кристалічну операцію / конфігурацію, і я втрачаю. Я спробував шукати тут, але не зіткнувся з чим-небудь подібним до моєї проблеми, тому мені шкода, якщо я десь пропустив своє рішення.

Я намагаюся запустити RTC від зовнішнього кристала з використанням ПОС, але кристал не вагається , коли я очікувати , що це, і це осциллирующий при інших обставинах, і я не можу робити будь - який сенс. Я не EE, хоча, мабуть, я просто неосвічений.

Кристал: LFXTAL016178 . Я абсолютно впевнений, що оскільки нічого не вказано, це паралельний резонансний кристал. Її навантажувальна ємність становить 6 пФ, що я вважав рідкісним? Я не впевнений.

PIC: PIC24FJ128GB204 . Я підключив кристал, як підказує таблиця, але він не надає явної допомоги у виборі навантажувальних конденсаторів, тому я здійснив пошук і знайшов інші ресурси в Інтернеті, щоб допомогти мені там.

Налаштування: з кількох джерел я побачив, що хорошим правилом для конденсаторів навантаження є , додаючи ємність для та від 2 до 5 пФ. Я вибрав те, що я вважав середнім значенням 6pF для обох конденсаторів, і я все ще не впевнений, наскільки поганий цей вибір.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

Ось малюнок моєї схеми: Макет:

Випадки, коли це не працює:

• Як це схематично, з 6pF конденсаторами навантаження на обох штирях він не коливається. Якщо вона не коливається кожні 10 хвилин чи щось.
• Коли знімаються конденсатори, він коливається надзвичайно повільно, можливо, приблизно в 2,5 рази повільніше, ніж слід. Я не вимірював цю швидкість.
• З додатковими конденсаторами 6pF, припаяними зверху, щоб зробити конденсатори 12pF, він не коливається.
• З 3 пФ конденсаторами та 10 МОм резистором поперек штифтів. (Годинник RTCC нестабільний.)

Випадки , коли він робить роботу:

• Коли я зондую шпильку SOSCI за допомогою осцилографа. У перших трьох випадках, як тільки я торкнувся зонда до шпильки SOSCI, він запустився і дав мені гарну чисту синусоїду. Це не було, коли я торкнувся штифта SOSCO, АБО коли я використовував конденсатори 3pF. Я знаю, що він не працював заздалегідь через деякі світлодіоди, які повинні блимати щосекунди, які лише блимали при підключеному зонді. (Я не знаю все про осцилоскопи, я просто знаю, як ними керувати. Зонд говорить про 6 МГц / 1 МОм / 95 пФ, а в області застосування говориться про 60 МГц / 1 ГС / с і 300 В CAT II, ​​де підключається зонд. Це Tektronix TDS 2002, якщо це комусь щось означає).
• Коли я підключаю резистор 330 Ом між SOSCI і землею. Це один із двох резисторів, які я маю під рукою; 10k виглядало так, що це змусило його працювати приблизно на половині потрібної частоти.
• З 3 пФ конденсаторами, але на 14 кГц.

Ось кілька частот, які я виміряв:

• (12 pF Caps) Частотний дотик зонду до SOSCI: 32,7674 кГц
• (12 pF Caps) Частотний вихід на PIC із 330-омним спадом на SOSCI: 32,764 кГц
• (12 pF Caps) Частотний вихід з PIC за допомогою LPRC: 32,68 кГц
• (3 pF Caps) Частотний вихід з PIC: 14,08 кГц

В основному, я хотів би знати, чому він коливається ідеально іноді, коли я використовую датчик діапазону, і яке правильне рішення повинно бути для того, щоб воно працювало так, як я цього хочу.

EDIT: Я тільки що знайшов цю заявку, де написано, що я повинен був обрати для свого мікроконтролера 12,5 пФ кристала . Однак будь-які кристали на Mouser / Digikey з бажаною мінімальною робочою температурою (-55 C) відсутні на складі. Я зараз отримаю такий, якого вистачить на даний момент, але я думаю, що мої питання все ще стоять.$C_L$$^{\circ}$

EDIT2: З фантазійним новим кристалом ( = 12,5 пФ) та деякими стандартними кришками 22 пФ, він працював на 32,7676 кГц. Що це означає про те, що пішло не так зі старим кристалом ( = 6 )?$C_L$$C_L$

Виробник MCU, ймовірно, винен. Немає жодного приводу для того, щоб не створити сучасний генератор MCU RTC для надійної роботи з будь-яким типовим комерційно доступним кристалом 32 кГц.

На жаль, навпаки набагато частіше, як ви вже виявили - у вашому випадку аркуш MCU не згадує, що ємність навантаження 6pF не працює.

Основна проблема полягає в тому, що ви маєте справу з системою з двох компонентів , виготовленою двома різними виробниками. Один з них говорить кремнієм, а інший - кварцом, і вони ніколи не домовлялися належним чином, як сказати дизайнерам, як їхня продукція надійно працює разом.

Отже, як ви з’ясували, кристалічний осцилятор може стати пасткою для невбразних. Я бачив, як велика автомобільна виробнича лінія перестала зупинятися через проблеми із запуском кристалічного осцилятора!

У будь-якому випадку, для того, щоб дійти до вашого питання ЧОМУ , є чотири важливі параметри:

1. Вихідний опір генератора MCU. Це залежить від частоти і часто ускладнюється бітами конфігурації, такими як "рівень приводу" або "рівень потужності". Я ніколи не бачив цих значень, визначених / гарантованих будь-яким виробником MCU.

2. Вхідний опір мережі «пі» зовнішнього конденсатора-кристала-конденсатора. Це насамперед визначається конденсатором на вхідній стороні, який у свою чергу визначається ємністю навантаження, визначеною виробником кристала.

3. $G_m$

4. Коефіцієнт посилення напруги (фактична втрата) зовнішнього ланцюга "Пі" "Cap-Xtal-Cap" при резонансі. Це насамперед визначається внутрішнім еквівалентним рядовим опором (ШОЕ) кристала. Кристал, який ви згадали, визначає ШОЕ = 50 к. Опір також збільшується з віком (оскільки волога / домішки просочуються у кришталевий корпус), а також впливає температура / час пайки. (Домішки в корпусі кристалів, що випаровуються та осідають на кварці) ШОЕ також може суттєво відрізнятися між партіями виготовлення. 50k є досить типовим коефіцієнтом ESR для кристала 32 кГц - найнижчий показник, який я бачив у 32kHz для кристалів малого форм-фактора, становить 30k.

Щоб будь-який генератор працював, загальний коефіцієнт посилення напруги, що є добутком (3) і (4), повинен> 1. Крім того, фаза посилення (так, коефіцієнт посилення - це складне число) повинна становити 360 градусів. Близько половини фази, 180 градусів, забезпечується інвертуючим підсилювачем, а "друга інверсія" забезпечується мережею cap-xtal-cap.

Ось просте онлайн-моделювання, яке може допомогти вам зрозуміти, як посилення, вихідний опір і значення конденсатора взаємодіють і впливають на запуск. Клацніть правою кнопкою миші будь-який компонент, щоб змінити його значення. (Примітка. Це моделювання використовує залишкове напруга конденсатора на 1 мВ для підробленого запуску, але в реальному житті шум в підсилювачі є джерелом запуску, як у цьому )

Отже, що сталося у вашому випадку? Швидше за все, конструктор осциляторів MCU сконструював свою вихідну ступінь для надійної роботи з навантаженими кристалами 12,5pF, і виявилося, що при навантаженні 6pF або посилення напруги, або вимоги фази просто не були виконані. Оскільки нічого про припущення дизайну не вказано в технічному листі, вуаля, проблема для вас - та багато інших.

Нічого собі, що повинен робити вбудований дизайнер?

По-перше, завжди будьте в курсі, що генератор граничного кристала може коштувати вашому бізнесу чималі гроші.

По-друге, враховуючи вищесказане, особливо якщо вам не вистачає досвіду або якщо ваш постачальник MCU не вказує кристалічні параметри в аркуші , вашою найкращою інвестицією може стати зовнішній генератор 32 кГц з низькою потужністю.

По-третє, переконайтеся, що ви використовуєте кристал із ШОЕ та ємністю, визначеними виробником MCU. Якщо ви не бачите жодного в інформаційному аркуші, попросіть свого постачальника переліку рекомендованих номерів кристалічних деталей або виберіть MCU, який це робить.

По-четверте, тест, тест, тест! За всіх напруг і температур . Зверніть увагу, скільки часу запускає час, призначаючи його в прошивці за допомогою RC-годинника, якщо це можливо, і якщо виробничі підрозділи перевищують норму на, скажімо, 2x, нехай ваша тестова прошивка встановлює прапор, щоб її можна було помітити під час тестування виробництва. Таким чином, виробничі підрозділи не можуть вийти із дверей із маргінальними осциляторами без дзвонів, що дзвонять.

Що роблять досвідчені інженери з перевірки виробництва?

Вони вирішують загальну відсутність належної інформації, вимагаючи 10-кратного запасу між "що працює" та "що працює надійно" - вони вимірюють фактичну ШОЕ, а потім додають додатковий 10-кратний додатковий "опір гандикапу" послідовно із кристалом у мережа cap-xtal-cap. Якщо система "з обмеженими показниками ESR" працює над усіма комбінаціями напруги та температури , тоді передбачається, що 10-кратний запас міцності є достатнім для покриття невідомих змін у коефіцієнтах посилення ESR та MCU. Частково це пояснено на рисунку 3 цієї примітки.

Що тобі слід робити?

Якщо ви не можете виконати вищезазначений тест з будь-якої причини і хочете продати товар тисячами, вам, звичайно, краще вкласти додаткові копійки на позачерговий генератор 32 кГц від постачальника генераторів, який зробив усе тестування на ви , або переключившись на MCU, який визначає конкретні кристали (або вимоги до кристалів) в аркуші даних пристрою.

Хоча ви можете "виправити" ситуацію, вибравши кристал із меншим внутрішнім опором та / або граючи з різними / асиметричними значеннями конденсатора, ваше рішення все ще може бути маргінальним з причин, пояснених вище.

TL; DR:

Кристалічні осцилятори можуть коштувати вашому бізнесу багато часу і грошей. Використовуйте зовнішній генератор, якщо можете, або виконайте тест на "інвалідизовану ШОЕ", як описано вище, у всіх діапазонах напруги та температури.

Нарешті, обов'язково використовуйте конденсатори NPO для стабільності температури.

Є дві основні речі:

1. Вам не вистачає ємності навантаження.

2. Ви не розумієте навантаження ємності.

Уявіть, що одна сторона кристала рухається синусоїдою на частоті кристала. Цей сигнал має низький опір. Ємність навантаження - це ємність, яку ви поклали з іншого боку кристала, щоб викликати фазовий зсув на 180 °.

Зсув фази таких кристалів швидко змінюється у залежності від частоти на робочій частоті кристалів. Оскільки фаза як функція частоти дуже крута прямо на робочій частоті, це хороша річ, щоб привідний ланцюг використовував для забезпечення роботи кристала на передбачуваній частоті. Ці типи ланцюгів оптимально коливаються, коли кристал зміщує вхідну фазу на 180 °. Оскільки лише невеликі зміни частоти, які змінюються, виникають коливання дуже близькі до запланованої частоти кристала.

Тепер повернемося до своєї схеми. Велика підказка полягає в тому, що все працює, коли ви кладете датчик області на вхідний штифт генератора. Для цього додається ємність на вихідній стороні кристала. Мабуть, із встановленою вами установкою додаткова ємність зонду для області застосування змушує кристал зміщувати фазу відповідної кількості для коливання системи. Якщо ви додасте більше ємності тільки до виходу кристала , ви повторите ефект зонду на область застосування, і все буде працювати. Спробуйте ще 10 pF або близько того для початку.

Не використовуйте формули, які ви знайдете на іншому кінці Інтернету, не розуміючи їх. Показане рівняння робить купу припущень, деякі з них недійсні. На жаль, існує багато звичайних дурощів щодо кристалів.

Кристал сам по собі є лише двотермінальним пристроєм і нічого не знає про земну ланцюг. Зрештою, ємність навантаження - це те, що є в її клемах. Традиційна дурість, таким чином, говорить про використання двох рівних конденсаторів з кожної сторони кристала для заземлення. Оскільки вони є послідовно, кожен повинен бути вдвічі більше бажаної ємності. Однак, незалежно від того, яка збита ємність із землею, на вашу думку, є на кожній стороні кристала, потрібно відняти ці ємності.

Проблема зі звичайною дурістю полягає в тому, що вона ігнорує опір виходу кристалічного драйвера. Розглянемо крайній випадок, коли це дорівнює 0. У цьому випадку додана ємність на вхідній стороні кристала абсолютно не має значення, оскільки вона паралельна 0 імпедансу драйвера. Навантаження на кристал - це лише ємність на його виході.

Займіться математикою. Імпеданс 6 пФ при 32,8 кГц становить 810 кОм. Тепер імпеданс драйвера кристала, безумовно, не дорівнює нулю, але цілком вірогідно значущий щодо 810 кОм.

Поміркуйте, що насправді робить кожна з кришок. Той, що знаходиться на вході, завантажує драйвер кристала. Основна мета цього - послабити деякі гармоніки, що виходять з водія. Це менше б'є по кристалу і робить меншою ймовірність, що вся система буде коливатися на гармоніці. Кристали мають складні передавальні характеристики. Вони можуть мати такі ж характеристики на гармоніках, як і на передбачуваній робочій частоті. Деякі кристали вирізаються так, щоб навмисно ввімкнути використання на гармоніках, що називається режимом обертону .

Ємність на виході - це справжня ємність "навантаження". Його реакційна здатність працює проти зсуву кристала на фазу, отримуючи потрібну кількість на потрібній частоті.

У вашому випадку кристал оцінюється для навантаження 6 пФ, і саме це ви поклали на його вихід. Це мало би спрацювати. Я здогадуюсь, що відбувається, це те, що ковпачок на вході кристала, справді на виході драйвера кристала, також спричинив зсув фази, який працював проти кришки навантаження. Як тест, спробуйте зняти кришку на кристалічному вході і залиште 6 pF на його виході. Тоді було б добре побачити хвильову форму на вході кристала, але навіть 10-кратний зонд може змінити його. Спробуйте все-таки, але переконайтесь, що датчик області встановлений на найвищий опір, тому можливий найменший ємність.

Дві кришки та кристал працюють як фазовий зсув на 180 градусів. Величини двох ковпачків (відношення) визначатимуть коефіцієнт передачі напруги. 6Pf звучить трохи невеликим, питання полягає в тому, що таке кристалічна паралельна конструкція навантаження? Ви не хочете рухатися далеко від цього значення. У мене зазвичай 27pf з кожного боку.

Я також бачу одну соду, якщо кристал прив'язаний безпосередньо до виходу процесора. Цей вихід може бути низьким Z, що може перегнати кристал. Пам’ятайте, що цей привід цих кристалів для годинників є крихітним, його дуже легко перегнати. Серія R 100K може бути використана для зменшення приводу кристалів.

Переконайтесь, що у процесора є внутрішній резистор зміщення від 1 до 10 Мг від виходу до входу. Ви згадали, що він починає коливатися при дотику до датчика області. Це може бути проблема зміщення постійного струму (я думаю, 10Meg зонд обсягу, я думаю) або, можливо, кришка зонда, що регулює співвідношення переданої налаштованої схеми.

Будьте по-справжньому чистими (без бродячого потоку) і по-справжньому короткими проводами. Це справжня схема Hi Z.

Боб К.

Також: "Стандартні" зонди, які я використовую, складають х 100, оскільки вони забезпечують найменший об'єм ємності, я пригадую приблизно 1,5 пп. Використовувати х 10 складно в цій схемі, х 1 марно. Ues x 100 і підкрутити вертикальне посилення діапазону, змусити передню частину діапазону виконати свою роботу. Зонди X 1 майже марні для високої Z або високої швидкості. Вам сподобається х 100, що робить цифрові роботи, оскільки струми кліпу GND знижуються на 10 разів. Спробуйте.

На 32 КГц це не типові кристали XT / AT-вирізаних, а замість цього - кристали цифрового годинника, крихітні «камертони» довжиною кілька мм.

Оскільки він реагує на дотик, зміщення постійного струму, що надається PIC, може бути помилковим. Спробуйте додати велике значення опору, пов'язане між шпильками генераторів (10Meg, навіть 22Meg.)

Можливо, що ваш кристал може бути пошкоджений при перенапруженні. (Один із посилань передбачає включення понад 100 К опору між штифтом SOSC і кристалом.)

Щоб отримати багато інформації, читайте специфікаційні листи для старих мікросхем з осциляторами, використовуючи ці низькочастотні кристали тюнінг-вилки ...

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

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

PS Я помічаю, що в даний час електронний золотий камінь має дешеві тюнінг-вилки "дивитися кристали" з незвичайними частотами, а не 32 кГц

З мого досвіду та більшості таких виробників OEM, TI рекомендую зовнішній зворотній зв'язок 1MOhm, а не 10M, який вже знаходиться всередині. Резонатори камертонів мають високу ШОЕ і мають значно нижчі пороги пошкодження uW, ніж у режимі XT або різаних кристалах AT.

.увага. Якщо ви ігноруєте Mfg або OEM App Notes, це може бути пошкоджено.

Це паралельний резонансний контур. Резонанс - це високий імпедансний фазовий зсув на 180 градусів, який після інверсії дає позитивні відгуки. Внутрішня потужність зворотного зв'язку 10 МОм, яка при постійному струмі служить для самостійного зміщення входу на Vdd / 2, щоб вивести квадратну хвилю, яка має середнє напруга постійного струму Vdd / 2.

Якщо вхідний постійний струм не знаходиться біля цього значення, Vdd / 2, де він працює як лінійний інвертуючий підсилювач, вихід буде застрягнути на "1" або "0". Я б очікував 330 Ом між вхідними SOSCI і Vss або Vdd, щоб змінити зміщення досить і зупинити годинник. Це суперечить вашим тестам з 330 Ом до 0 В і має сенс лише у тому випадку, якщо ви перевернули вхід і вихід, оскільки це може управляти лише вихідний SOSCO.

Рухова ємність становить лише близько 3,5 fF (фентофаради) з індуктивністю близько 35 кГн і ШОЕ 35 ~ 70 кОм. Це визначає оптимальні параметри резонатора для коливань при 32768 Гц. Q> 10k.

Якщо ви читаєте додаток Microchip. зауважте, він рекомендує; одна з них http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• додайте зовнішній зворотній зв'язок 1М, щоб зменшити потенційні помилки від забруднення поверхневих витоків та неправильних ухилів
• додайте серію R для запобігання перенапруги uW, наприклад, 10 к і тестування цього на маржі з невдалою коливанням запасу Rs / (sRs + ESR)> 2 = граничний, 3 = кращий, 5 = кращий. Це забезпечує достатнє посилення циклу для коливання.
• якщо ви використовуєте нерівні ковпачки, зробіть вхідний ковпачок меншим, щоб забезпечити вхідну ємність.
• очистити всі прокладки флюсу
• розглянемо острів охоронного проміжку навколо цілого коду, то сигнал периметра охоронного сигналу або gnd. щоб зменшити перешкоди пальців або перехресну розмову.

Вашим єдиним головним недоліком в дизайні було те, що мідна заливка навколо усіх треків додає занадто велику ємність і зменшує зворотний зв'язок по фазі з 180 у напрямку до 90 градусів, якщо, якщо посилення циклу буде недостатнім, воно не буде коливатися чи не приводити до нижчого резонансу. Цей макет змушує вас обрати xtal, який потребує більших обмежень навантаження для стабільності, щоб задовольнити критерії Баркхаузена.

Ці пробіли в треку повинні бути однаковими або не меншими, ніж проміжки між колодками ІС, оскільки утрамбований C gnd обернений до зазору.

Незважаючи на те, що поради Microchip покращують запас, вони не передбачали користувачів, які використовують агресивні мідні зазори <0,1 мм.

Зонд 1: 1 має надто велику індуктивність заземлення та коаксіальну ємність, і 1M також порушить зміщення вхідного постійного струму.