Кристалл 32,768 кГц издает слышимый шум

Я делаю проект по записи и регистрации напряжений 8-элементной литиевой батареи. Проект основан на микроконтроллере STM32, логирование ведется на SD-карту. Я сделал первую версию печатной платы и потратил много времени на тестирование платы, в том числе на настройку цифрового фильтра.

Все работало правильно, пока я не перешел к калибровке RTC. Я обнаружил, что это не соответствует спецификации на 200 частей на миллион. Это измерение было выполнено с использованием калибровочного выхода на микроконтроллере. Используя логический анализатор, я вижу, что выходная частота колеблется между 499 и 524 Гц, когда она должна быть 512 Гц. Указывает ли это на какие-то помехи?

При ближайшем рассмотрении я слышу, как кристалл слышно скулит, когда я подношу к нему ухо. При изменении входного напряжения (расчетный диапазон от 4,5В до 32В) меняется и вой. Кроме того, когда я подключаюсь к плате через USB, вой снова меняется на другой тип.

Я использую понижающий преобразователь MAX15062A в режиме PFM для питания всех активных компонентов на печатной плате. Потребление тока от этого понижающего преобразователя составляет около 20 мА (измерено). Я думаю, что выходной шум от этого SMPS является причиной моей проблемы с RTC и нытьем кристалла.

  • Кристалл монтируется на локальную заземляющую плоскость, которая пришивается переходными отверстиями к глобальной заземляющей плоскости. X2 не монтируется, а X1 является кристаллом RTC.

    введите описание изображения здесь

  • Я убрал понижающий преобразователь из схемы и подал 3,3 В напрямую от STLINK (который является выходом линейного регулятора). Хрустальный визг исчез, и теперь выходная частота RTC находится между 511,8 и 512 Гц. (Я должен сказать, что использую логический анализатор-клон Saleae с eBay, который может быть не совсем точным).

  • Я убрал понижающий преобразователь из схемы и подал 3,3 В напрямую от двух разных настольных источников питания, настроенных на выходное напряжение 3,3 В. Снова пропал хрустальный визг.

  • У меня есть вторая идентичная печатная плата моего проекта, на которой собрана только часть схемы понижающего преобразователя. Я беру выход этого понижающего преобразователя и подаю его прямо на плоскость 3,3 В на другой печатной плате, где все смонтировано, и возвращается кристаллический вой с теми же характеристиками. Итак, справедливо ли сказать, что моя проблема напрямую вызвана пульсациями выходного напряжения моего понижающего преобразователя?

Итак, исходя из этого, не могли бы люди помочь мне проверить, в чем причина моей проблемы и как я могу ее решить? Я думал, что мне понадобится фильтр LC/RC или какая-нибудь ферритовая бусина сразу после выхода понижающего преобразователя?

Частота выходного напряжения этого понижающего преобразователя составляет около 10 кГц в том режиме, в котором я его использую (PFM) и потребляемом токе моего приложения. Пульсации напряжения 3,32В и 3,39В (по расчету Максима). На мультиметре я вижу стабильное выходное напряжение 3,35В.

Схема ИИП:

Изображение разводки печатной платы 1

Изображение разводки печатной платы 2

Обратите внимание, что выходные конденсаторы C15, C16 имеют номинал 10 мкФ, 16 В, X7R.

Изменить: контакт 7 MAX15062 не подключен для принудительного режима PFM при низких нагрузках (например, в моем приложении. Из таблицы данных:

Информация о выборе режима из таблицы данных MAX15062

Редактировать: Возможный источник проблемы с RTC: нет обратного пути для линий SD CLK и SD CMD.

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

Почему-то я не верю, что это кристалл издает шум. Я бы заподозрил понижающий преобразователь (в частности, индуктор). Тот факт, что шум исчезает, когда вы его вынимаете, является дополнительным доказательством этого.
какая частота нытья? (используйте онлайн-генератор тона, чтобы попытаться сопоставить его). 10 кГц? Ниже? Судя по звукам, у вас нет прицела, я полагаю?
Итак, я также протестировал понижающий преобразователь на другой печатной плате, где он собран сам по себе. Я подключаю резистор 180 Ом для имитации нагрузки ~ 20 мА, и понижающий преобразователь не шумит.
Можете ли вы добавить больше тока в понижающий преобразователь, чтобы увидеть эффект?
@ Рассел Это ничего не значит. Эти преобразователи работают с сигналами ШИМ в зависимости от различных условий работы. Они имеют разные режимы работы в зависимости от нагрузки и входа. Вам лучше взять осциллограф и прочитать его выходные данные и посмотреть, коррелирует ли произведенный ШИМ с шумом, который вы слышите.
@Toor Я использовал онлайн-генератор тона. Это звучит так, когда генератор тона находится между 8 и 10 кГц. Нет, у меня пока нет прицела, но он уже в пути.
@ЕвгенийШ. У меня сейчас нет прицела. Но могу подтвердить с помощью тонального генератора онлайн, что шум звучит так же, как между 8 и 10 кГц.
Не могли бы вы показать/объяснить, как подключен контакт 7 MAX15062A? Мне это кажется оборванной дорожкой.
@Huisman См. редактировать
Вы не услышите вибрацию кристалла на 32 кГц. Даже если бы он был достаточно громким, у вас должен быть диапазон слуха летучей мыши, чтобы услышать что-то на такой высоте. И будет недостаточно громко.
Обратите внимание, что выходные конденсаторы C15, C16 имеют номинал 10 мкФ 3,3 В X7R. Использование этого номинала при 3,3 В, вероятно, не дает ожидаемых 2x10 мкФ. Номинальное напряжение конденсатора должно быть в 1,5-2 раза больше выходного напряжения. Что произойдет, если вы замените их альтернативами на 6,3 В или 10 В?
@Huisman Это опечатка, эти колпачки рассчитаны на 16 В.

Ответы (3)

Я думаю, вы перепутали контакт 5 и 7. Контакт 5 (правый верхний угол микросхемы на вашей печатной плате) выбирает режимы, контакт 7 - это GND, что, очевидно, необходимо :) Я бы предложил подключить контакт 7 к верхнему (относительно вашей схемы
) ) терминал C13, но я тоже не вижу этого соединения. Или это сквозное отверстие внутри пэда?

Контакт 7 подключен к GND. На картинке его не сразу видно. Пожалуйста, смотрите отредактированное изображение
С17 тоже прилично заземлен? Нет странного отвлеченного обратного текущего пути? Заземляющая дорожка C17 идет к синему (земляному?) слою, но этот слой частично пересекается дорожкой which от C C17 до 4 U4. Похоже, у синего самолета больше нет прерываний, так что, вероятно, это не проблема...
Да заземлен. Компоновка преобразователя в значительной степени скопирована непосредственно с оценочной платы Maxim и компоновки, рекомендованной в техническом описании. Это также имеет единственную трассу на наземной плоскости.

У меня была эта проблема, и она была вызвана шумом переключения от преобразователя. Кварцевый генератор представляет собой аналоговую схему с вашим кристаллом в контуре обратной связи, поэтому, если есть шумовые всплески достаточной амплитуды, генератор может либо пропустить, либо добавить дополнительные импульсы, сбрасывая частоту. Вот что стоит попробовать. Убедитесь, что под секцией генератора нет пути тока, идущего к вашему преобразователю (питание) или возвращающегося через заземляющий слой. Подсоединение кварцевых нагрузочных конденсаторов (C21 и C22) к заземляющему слою не всегда является лучшим подходом; вместо этого попробуйте обеспечить отдельный путь обратно к земле процессора. Держите кварц и конденсаторы подальше от заземляющего слоя, если есть путь тока. Кроме того, тот факт, что вы можете слышать преобразователь на частоте 8 кГц, означает, что в режиме PFM вы «пропускаете» два из трех понижающих импульсов. Вы выбрали индуктор преобразователя для больших нагрузок, чем те, которые вы используете. В режиме PFM всплеск тока всегда такой же высокой амплитуды, которая необходима для максимальной нагрузки; другими словами, вы получаете всплеск тока в три раза больше, чем он должен быть в одну треть времени. Если вам не нужен запас для более высокой мощности, попробуйте заменить понижающие компоненты на более низкую мощность. Наконец, проверьте номинал нагрузочных конденсаторов кварца. Помните, что конденсаторы соединены последовательно по отношению к кристаллу, поэтому вам нужно два конденсатора, каждый примерно в два раза больше указанного нагрузочного конденсатора кристалла. вы получаете всплеск тока в три раза больше, чем он должен быть в одну треть времени. Если вам не нужен запас для более высокой мощности, попробуйте заменить понижающие компоненты на более низкую мощность. Наконец, проверьте номинал нагрузочных конденсаторов кварца. Помните, что конденсаторы соединены последовательно по отношению к кристаллу, поэтому вам нужно два конденсатора, каждый примерно в два раза больше указанного нагрузочного конденсатора кристалла. вы получаете всплеск тока в три раза больше, чем он должен быть в одну треть времени. Если вам не нужен запас для более высокой мощности, попробуйте заменить понижающие компоненты на более низкую мощность. Наконец, проверьте номинал нагрузочных конденсаторов кварца. Помните, что конденсаторы соединены последовательно по отношению к кристаллу, поэтому вам нужно два конденсатора, каждый примерно в два раза больше указанного нагрузочного конденсатора кристалла.

Это имеет смысл, спасибо за ответ. Из этого ясно, что мне придется раскручивать печатную плату. Дело в том, что я удалил операционные усилители из схемы, поэтому на самом деле нет активных компонентов, требующих напряжения 3,3 В выше схемы кристалла. Подача на верхний слой составляет 3,3 В от понижающего преобразователя, а на нижний слой — полная земля. Могут ли обратные токи от моих RC-фильтров над кристаллом вызвать проблему?
Кроме того, я не уверен в замене компонентов понижающего преобразователя, так как это первый раз, когда я проектировал печатную плату. Значения компонентов были определены из таблицы данных. например, для размера L используйте L = 9,3 X Vout, так что это дает 30,69 мкГн = 33 мкГн. Есть ли способ вместо этого фильтровать/подавлять шум на выходе?
Возможно, но маловероятно - подумайте о том, что земля на процессоре на некоторое количество милливольт отличается от земли на нагрузочных конденсаторах, или дорожки к кристаллу емкостно или индуктивно связаны с другой дорожкой.
Вы правы - они рекомендуют фиксированное значение, и я бы придерживался его. Они также дают вам хороший пример макета. Поместите преобразователь рядом с соединением Vin, со схемой на другой стороне, чтобы локализовать токи источника питания.
Дело в том, что Vin для понижающего преобразователя также измеряется, и я не был уверен, что если разместить преобразователь рядом со всеми входами ячеек, это вызовет шумовую связь во всех показаниях. Также я, возможно, нашел возможный источник моей проблемы. Пожалуйста, смотрите добавленные фотографии. Я обнаружил, что нет путей для обратного тока для линий SD CMD и SD CLK. Может ли это быть причиной моей проблемы?

При ближайшем рассмотрении я слышу, как кристалл слышно скулит, когда я подношу к нему ухо. При изменении входного напряжения (расчетный диапазон от 4,5В до 32В) меняется и вой.

Из таблицы данных рисунок «ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ФОРМ (РЕЖИМ ЧИМ)» пакет импульсов составляет каждые 40 мкс, то есть на частоте 25 кГц. При более легких нагрузках (более 20 мА) время между вспышками становится больше, поэтому частота ниже. Время также зависит от входного напряжения (которое вы описали).

Этот взрывной ток индуктора заставляет индуктор «дрожать», вот что вы слышите. (Как уже предлагал @EugeneSh.).

Я не уверен, идет ли всплеск до 8 кГц. Но, может быть, вы слышите 16 кГц, а звучит как 8 кГц? У меня возникают проблемы при сравнении тонов, слышу ли я 8 кГц или на октаву выше: 16 кГц.

В любом случае: это не решает вашу проблему с RTC

Кристалл 32,768 кГц издает слышимый шум
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v