Какой кристалл стабильности частоты нам нужен?

Слишком долго читать все это, так что вот короткая история

Из комментариев под вопросом Тревор говорит следующее: -

мы думаем, что шапки правильные. У нас есть 2x 15pf на землю. Мы используем вот этот кристалл

Но связанная часть - это устройство на 6 пФ (для которого требуется настройка 2 x 12 пФ): -

Итак, вы, вероятно, используете неправильную нагрузочную емкость, и ниже (долгая история) показано, как это может изменить ситуацию...

Сначала немного предыстории

Приведенная ниже модель кристалла была сделана путем изучения нескольких готовых предложений кристаллов 10 МГц, а затем формирования «средней» эквивалентной схемы. По обеим сторонам кристалла находятся CL1 и CL2 (нагрузочные конденсаторы). Последовательно с ведомым концом (V1) цепи находится R1. Все эти компоненты обеспечивают «поение» кристалла на частоте, указанной на банке:

Значения модели вызывают последовательный резонанс точно 10 000 000,1403 Гц. Но кристалл никогда нельзя использовать именно на такой частоте; он должен работать немного «индуктивно» в соответствии с этой диаграммой:

Давайте перейдем к частотным ошибкам, взглянув на характеристику переменного тока полной симуляции.

Ошибки частоты кристалла из-за изменения емкостной нагрузки

На графике показаны некоторые типичные изменения частоты при изменении емкостной нагрузки с шагом 5 пФ:

Здесь важна частота, при которой изменение фазы между Vin (выход инвертирующего логического элемента) и Vout (сигнал, подаваемый обратно на вход инвертирующего элемента) составляет 180°. Поскольку затвор является инвертором, вы получаете колебания, когда изменение фазы составляет ровно 180°.

При нагрузке 2 x 20 пФ частота генерации составляет 10,00137 МГц. Если нагрузка изменилась на 2 x 15 пФ, частота колебаний становится равной 10,00165 МГц. Это изменение 280 Гц на 10 МГц и эквивалентно 28 ppm.

Вы видите здесь проблему?

Незначительные изменения также происходят из-за изменения значения ведущего резистора.

Это меньший эффект, чем при изменении нагрузочного конденсатора, но, тем не менее, его можно улучшить. Приведенные выше результаты относятся к нагрузке 2 x 20 пФ.

Задержки распространения шлюза могут вызвать изменения

Независимо от того, насколько хорош кварц или насколько тщательно вы выбрали значения компонентов вокруг него, если затвор инвертора работает плохо, вы получите ошибки частоты генерации и, возможно, чрезмерный дрейф частоты. Рассмотрим инвертор 74AC04: -

Цифры задержки распространения, указанные для нарастающих и спадающих фронтов, обычно составляют около 5 нс, но могут достигать 10 нс. Это означает, что общее время задержки на выходе составляет 10 нс, и, учитывая, что мы рассматриваем генератор с частотой 10 МГц, 10 нс эквивалентны добавлению фазового сдвига на 36°. Это облегчается типом используемой схемы; мы управляем затвором полулинейным образом, и глубокого насыщения выходных МОП-транзисторов не произойдет, но можно ожидать около 20 ° эквивалентного фазового сдвига.

Это означает, что нагруженная кварцевая схема должна производить фазовый сдвиг только на 160°, чтобы создать колебание:

Таким образом, если гейт, который используется для превращения кристалла в осциллятор, немного ненадежный и дрейфует, вы получаете больше ошибок. Хорошо, это меньшая проблема для кристалла 32 768 кГц, чем для кристалла 10 МГц, потому что задержки затвора представляют собой пропорционально меньшую ошибку.

Тем не менее, вам все равно нужно убедиться, что вы не используете что-то действительно дрянное, потому что ошибка может быть значительной.

Картинки (и немного текста) взяты с моего паршивого сайта .

Краткое содержание

• Правильно определите нагрузочную емкость кристалла — используйте хорошие конденсаторы и убедитесь, что вы понимаете, какова входная емкость затвора и другие паразитные конденсаторы.
• Убедитесь, что вы используете последовательный резистор правильного номинала. Для кристалла 32 768 кГц это исключительно важно (не только потому, что это может привести к ошибке, но и потому, что вы можете легко повредить кристалл слишком большой мощностью).
• Убедитесь, что у вас есть достойный гейт для генератора.

Могу я спросить, какие типы кристаллов люди используют при создании обычных часов?

И

Итак, что мы должны использовать? Кристалл на 5 частей на миллион или на 20 частей на миллион и вручную настраивать каждый?

Мне кажется, что вам нужно соблюдать вышеизложенное и отметить, что вы можете настроить кристалл на более начальную точность.

Напоминание о несоответствии нагрузочной емкости

Ссылка Mouser на кристалл, по-видимому, говорит о том, что нагрузка составляет 6 пФ, поэтому в идеале она образована 2 конденсаторами по 12 пФ, а не 2 конденсаторами по 15 пФ. Тогда вы, вероятно, должны предположить, что вход затвора имеет емкость 2 пФ и что на устройстве может быть 0,5 пФ паразитной емкости из-за печатной платы и ее отслеживания.

В целом, похоже, что вы, возможно, переоцениваете нагрузочную емкость и, вполне возможно, вам следует стремиться к 2 x 10 пФ, а не к 2 x 15 пФ.

Дважды проверьте мощность вашего привода, потому что при нагрузке 2 x 15 пФ вы можете вкладывать слишком много энергии в свой кристалл (уровень привода указан в данных максимум 1 мкВт).

В качестве запоздалой мысли, если устройство предсказуемо работает не так, как истинное время, вы можете сделать компенсацию в программном обеспечении. Но вы должны быть очень уверены в этом, чтобы это не был какой-то длительный циклический дрейф.

Если у вас есть подходящие средства измерения частоты, вы можете отрегулировать один из нагрузочных колпачков с помощью подстроечного колпачка, чтобы приблизиться к идеалу. Однако вам потребуются некоторые средства измерения без изменения частоты (вы, конечно, не можете просто надеть щуп на кварцевый штифт).

Возможно, вы сможете найти способ вывести буферизованную и разделенную версию часов, например 8192 Гц. Чтобы отрегулировать частоту с допуском 10 секунд в месяц, вам потребуется 1 часть на 260 000, то есть примерно 6 цифр разрешения. Сработает обратный счетчик частоты, или вы можете разделить его еще на 8192 (скажем) и измерить ширину импульса с разрешением в микросекунду или около того. В первых цифровых часах использовался светодиодный дисплей (нажмите кнопку для времени), и был выдан патент, если память не изменяет, на использование мультиплексной частоты светодиодного дисплея в качестве оптического выхода для калибровки (поскольку она была получена аппаратным делителем). ).

В качестве альтернативы (и, вероятно, вариант, который я бы предложил), если вы можете выдержать немного более высокое потребление тока (возможно), вы можете заменить кварц генератором, который уже обрезан, чтобы быть достаточно точным. Если вы ищете дистрибьютора для генераторов 32,768 кГц, вы можете найти несколько доступных TCXO (кварцевые генераторы с температурной компенсацией), такие как 5uA SiT1566 со стабильностью +/-3ppm или +/-5ppm. Если вы хотите изменить дизайн, чтобы использовать генератор с более высокой частотой и не заботиться о энергопотреблении, вы можете получить генераторы TXCO с очень жестким допуском и низким дрейфом с точностью и стабильностью в диапазоне менее 1 ppm (без термообработки) или лучше с термообработкой ( ОСХО). Естественно, стоимость и энергопотребление имеют тенденцию к увеличению с повышением точности и стабильности, и в какой-то момент миниатюрные модули атомных часоввойти в игру, но они находятся в диапазоне $ 1K. Чип-шкалы еще более впечатляют, но стоят в диапазоне 5 тысяч долларов. Учитывая, что +/-3 ppm цилиндрические кристаллы 32,768 кГц продаются за 2-3 цента, это диапазон стоимости 53 дБ для возможного диапазона точности 5000: 1.

Это слишком дорогие (0,81 фунтов стерлингов / 2 тысячи) швейцарские Xtals 20 ppm . Вы можете получить кварцевый осциллятор <=5 ppm за ненамного большую цену (1,58 долларов США за 3 тысячи долларов). колпачки не нужны. Приложив дополнительные усилия, вы можете получить XO с 1 или 2 ppm по той же цене. Но ваш бюджет и характеристики допуска не ясны.

Ранее я переоценил вашу необычную ошибку.

Это высоко, но не глупо высоко. 2,5 мин/60 мин/24 ч/30 дн= ошибка= 58 частей на миллион. В вашей таблице данных указано, что существует несколько вариантов загрузки (6.0 7.0 9.0 10.0 12.5). Я бы не ожидал, что они сделают их для каждого, а просто протестируют и отсортируют по корзинам частотной ошибки по сравнению с загрузкой C и продадут их таким образом...

Более низкий C также снижает ток драйвера на RTC , и вы можете получить интегрированный RTC с XO за дополнительную плату.

Я бы провел анализ чувствительности первопричины и проверил все предположения, такие как точность ограничения. Но вы не могли бы.

Чувствительность к уменьшению частоты можно рассчитать и смоделировать, при этом ограничения не обязательно должны быть равными. Я бы начал с добавления 50 пФ на входе, что увеличивает нагрузку до 12 пФ при последовательных выходных 15 пФ. Это должно уменьшить f на 30-60 частей на миллион.

Затем измерьте ошибку и сделайте выборку Xtals(X) и вычислите стандартное отклонение и среднюю ошибку, чтобы вычислить выход 3 сигма. Или используйте расчет возможностей процесса «Cpk».

Это можно было быстро сделать на тестовой плате. Плоскость заземления добавляет защиту от электромагнитных помех и несколько пФ.

Может быть чувствительность 5~10 ppm к Vdd и серии R, если они не добавлены.

Многие «простые цифровые часы», которые я вижу в наши дни, используют сигнал времени вещания, чтобы оставаться точным в течение более длительного времени.

Хотя это требует дополнительных схем, это устраняет необходимость в дорогом генераторе.

В качестве альтернативы вы можете откалибровать смещение частоты каждых часов, потому что стабильность обычно намного лучше, чем начальная точность (см. комментарий @TimWescott), но это непомерно для массового производства.

Уже много хороших отзывов о кварце. Я вижу два других решения:

1. Используйте внешние RTC со встроенным кристаллом, такие как Maxim DS3231, Epson RX6110SA и многие другие. Который откалиброван лазером и имеет очень низкое энергопотребление.

2. Используйте приемник GPS, который дает почти атомную точность часов, как только вы получаете сигнал GPS. GPS-модуль сейчас, как правило, маленький и дешевый, но потребление намного выше