Кристалл 32 кГц не работает должным образом

Производитель MCU, скорее всего, виноват. Нет абсолютно никаких оправданий тому, чтобы не разработать современный генератор MCU RTC для надежной работы с любым типичным коммерчески доступным кристаллом 32 кГц.

К сожалению, как вы уже обнаружили, гораздо чаще встречается обратное - в вашем случае в техническом описании микроконтроллера не упоминается, что емкость нагрузки 6 пФ не работает.

Корень проблемы в том, что вы имеете дело с системой из двух компонентов , изготовленных двумя разными производителями. Один из них говорит на кремнии, а другой на кварце, и они так и не договорились должным образом , как сообщить дизайнерам, как их продукты надежно работают вместе.

Итак, как вы уже выяснили, кварцевый осциллятор может оказаться ловушкой для неутомимых. Я видел, как крупная автомобильная производственная линия остановилась из-за проблем с запуском кварцевого генератора!

В любом случае, чтобы перейти к вашему вопросу ПОЧЕМУ , на карту поставлены четыре важных параметра:

1. Выходное сопротивление генератора MCU. Это зависит от частоты и часто усложняется битами конфигурации, такими как «уровень привода» или «уровень мощности». Я никогда не видел, чтобы эти значения указывались/гарантировались каким-либо производителем микроконтроллеров.

2. Входное сопротивление внешней цепи конденсатор-кристалл-конденсатор "пи". Это в первую очередь определяется конденсатором на стороне входа, который, в свою очередь, определяется емкостью нагрузки, указанной производителем кристалла.

3. Коэффициент усиления по напряжению (нагруженного) генератора MCU в резонансе. Усиление генератора должно компенсировать вызванные ESR потери внешней сети Pi. Этот коэффициент значительно изменяется в зависимости от температуры, напряжения питания и партии изготовления. Я никогда не видел, чтобы это усиление (и выходное сопротивление драйвера) было правильно указано / протестировано / гарантировано каким-либо производителем ЦП. Некоторые производители указывают крутизну$G_m$вместо повышения напряжения.

4. Прирост напряжения (фактически потеря) внешней цепи Cap-Xtal-Cap "Pi" при резонансе. В первую очередь это определяется внутренним эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) кристалла. Упомянутый вами кристалл указывает ESR = 50k. Сопротивление также увеличивается с возрастом (поскольку влага/загрязнения просачиваются в корпус кристалла), а также зависит от температуры/времени пайки. (Примеси в корпусе кристалла испаряются и оседают на кварце) ESR также может значительно различаться в зависимости от производственной партии. 50k — довольно типичное значение ESR для кристалла с частотой 32 кГц — самое низкое значение, которое я видел при частоте 32 кГц для кристаллов малого форм-фактора, составляет 30k.

Для работы любого генератора общий коэффициент усиления по напряжению, являющийся произведением (3) и (4), должен быть >1. Кроме того, фаза усиления (да, усиление — это комплексное число) должна составлять 360 градусов. Примерно половину фазы, 180 градусов, обеспечивает инвертирующий усилитель, а «вторую инверсию» обеспечивает цепь cap-xtal-cap.

Вот простое онлайн-моделирование , которое поможет вам понять, как усиление, выходное сопротивление и значения конденсатора взаимодействуют и влияют на запуск. Щелкните правой кнопкой мыши любой компонент, чтобы изменить его значение. (Примечание: в этой симуляции для имитации запуска используется остаточное напряжение конденсатора 1 мВ, но в реальной жизни шум в усилителе является источником запуска, как в этом случае )

Так что же произошло в вашем случае? Скорее всего, разработчик микроконтроллерного генератора спроектировал свой выходной каскад для надежной работы с кварцевыми резонаторами, нагруженными на 12,5 пФ, и оказалось, что при нагрузке на 6 пФ требования либо по коэффициенту усиления по напряжению, либо по фазе просто не выполняются. Поскольку в техпаспорте ничего о проектных предположениях не указано, вуаля, проблема для вас - и многие другие.

Ничего себе, что должен делать встраиваемый дизайнер?

Во-первых, всегда помните, что маргинальный кварцевый осциллятор может стоить вашему бизнесу больших денег.

Во-вторых, в свете вышеизложенного, особенно если у вас нет опыта или если ваш поставщик микроконтроллера не указывает параметры кристалла в техническом описании , лучшим вложением может быть внешний маломощный генератор 32 кГц.

В-третьих, убедитесь, что вы используете кристалл с ESR и емкостью, указанными производителем вашего микроконтроллера. Если вы не видите его в техническом паспорте, запросите у поставщика список рекомендуемых номеров деталей кристалла или выберите MCU, в котором он есть.

В-четвертых, тест, тест, тест! При всех напряжениях и температурах . Обратите внимание, сколько времени занимает запуск, замерив его в прошивке с помощью часов RC, если это возможно, и если производственные единицы превышают норму, скажем, в 2 раза, пусть ваша тестовая прошивка установит флаг, чтобы это можно было заметить при производственном тестировании. Таким образом, производственные единицы не могут выйти за дверь с маргинальными осцилляторами без тревожного звонка.

Чем занимаются опытные инженеры по проверке производства?

Они обходят общее отсутствие надлежащей информации, требуя 10-кратного запаса прочности между «что работает» и «что работает надежно» — они измеряют фактическое ESR, а затем добавляют дополнительное 10-кратное дополнительное «сопротивление помех» последовательно с кристаллом в цепь. сеть cap-xtal-cap. Если система «сопротивления ESR» работает при всех комбинациях напряжения и температуры , то предполагается, что 10-кратный запас прочности достаточен для покрытия неизвестных изменений как ESR, так и коэффициента усиления MCU. Это частично пояснено на рисунке 3 данных рекомендаций по применению.

Что вы должны сделать?

Если вы по какой-либо причине не можете выполнить вышеприведенный тест и хотите продавать продукт тысячами, вам, безусловно, лучше инвестировать лишние центы в готовый генератор 32 кГц от поставщика генераторов, который провел все эти тесты для вы , или переключившись на MCU, который указывает конкретный кристалл (или требования к кристаллу) в листе данных устройства.

Хотя вы можете «исправить» ситуацию, выбрав кристалл с более низким внутренним сопротивлением и/или поэкспериментировав с разными/асимметричными значениями конденсатора, ваше решение все же может быть маргинальным по причинам, изложенным выше.

TL;DR:

Кварцевые генераторы могут стоить вашему бизнесу много времени и денег. Используйте внешний генератор , если можете, или выполните тест «сопротивления ESR», как описано выше, во всех диапазонах напряжения и температуры.

Наконец, обязательно используйте конденсаторы NPO для температурной стабильности.

Происходят две основные вещи:

1. Вам не хватает нагрузочной способности.

2. Вы не понимаете емкость нагрузки.

Представьте, что одна сторона кристалла управляется синусоидальной волной с частотой кристалла. Этот сигнал имеет низкий импеданс. Емкость нагрузки — это емкость, которую вы помещаете на другую сторону кристалла, чтобы вызвать фазовый сдвиг на 180 °.

Фазовый сдвиг таких кристаллов быстро меняется в зависимости от частоты на рабочей частоте кристаллов. Поскольку фаза как функция частоты очень крутая прямо на рабочей частоте, это полезно для схемы возбуждения, чтобы гарантировать, что кварц работает на заданной частоте. Эти типы схем оптимально генерируют колебания, когда кварц сдвигает входную фазу на 180°. Поскольку только небольшое изменение частоты искажает это, результирующие колебания очень близки к предполагаемой частоте кристалла.

Теперь вернемся к вашей схеме. Большая подсказка заключается в том, что все работает, когда вы подключаете щуп осциллографа к входному контакту генератора. Что это делает, так это добавляет емкость на выходной стороне кристалла. Судя по всему, с вашей настройкой дополнительная емкость зонда осциллографа заставляет кристалл смещать фазу на соответствующую величину для колебаний системы. Если вы добавите больше емкости только к выходу кристалла , вы воспроизведете эффект зонда прицела, и все будет работать. Попробуйте еще 10 пФ или около того для начала.

Не используйте формулы, которые вы найдете на другом конце Интернета, не понимая их. Уравнение, которое вы показываете, делает кучу предположений, некоторые из которых недействительны. К сожалению, в отношении кристаллов существует много общепринятой глупости.

Кристалл сам по себе представляет собой всего лишь двухконтактное устройство и ничего не «знает» о заземлении вашей цепи. В конечном счете, емкость нагрузки — это то, что находится на его клеммах. Поэтому обычная глупость говорит использовать два одинаковых конденсатора на каждой стороне кристалла для заземления. Поскольку они включены последовательно, емкость каждого из них должна быть в два раза больше желаемой емкости. Однако любую паразитную емкость относительно земли, которая, по вашему мнению, есть на каждой стороне кристалла, необходимо вычесть из этих емкостей.

Проблема с обычной глупостью заключается в том, что она игнорирует импеданс выхода кварцевого драйвера. Рассмотрим крайний случай, когда он равен 0. В этом случае емкость, добавленная на входной стороне кристалла, совершенно не имеет значения, поскольку она параллельна нулевому импедансу драйвера. Тогда нагрузкой на кристалл является только емкость на его выходе.

Сделайте немного математики. Импеданс 6 пФ на частоте 32,8 кГц составляет 810 кОм. Теперь импеданс кварцевого драйвера конечно не нулевой, но вполне вероятно значительный относительно 810 кОм.

Рассмотрим, что на самом деле делает каждая из шапок. Тот, что на входе, загружает драйвер кристалла. Основная цель этого состоит в том, чтобы ослабить некоторые гармоники, выходящие из драйвера. Это меньше бьет по кристаллу и снижает вероятность того, что вся система будет колебаться на гармонике. Кристаллы имеют сложные передаточные характеристики. Они могут иметь некоторые из тех же характеристик на гармониках, что и на предполагаемой рабочей частоте. Некоторые кристаллы вырезаны таким образом, чтобы преднамеренно использовать их на гармониках, что в промышленности называется режимом обертона .

Емкость на выходе - это истинная емкость "нагрузки". Его реактивное сопротивление работает против реактивного сопротивления кристалла, сдвигая фазу в результате на нужную величину на нужной частоте.

В вашем случае кварц рассчитан на нагрузку 6 пФ, именно такую ​​вы и ставите на его выходе. Это должно было сработать. Я предполагаю, что происходит то, что ограничение на входе кристалла, а на самом деле на выходе драйвера кристалла, также вызывало фазовый сдвиг, который работал против ограничения нагрузки. Просто в качестве теста попробуйте снять колпачок на входе кварца и оставить 6 пФ на его выходе. Было бы неплохо увидеть форму волны на входе кристалла, но даже зонд с 10-кратным увеличением может изменить ее. В любом случае попробуйте, но убедитесь, что щуп осциллографа настроен на максимальное сопротивление, а значит, и на самую низкую возможную емкость.

Две крышки и кристалл работают как фазовый сдвиг на 180 градусов. Величина двух колпачков (отношение) будет определять коэффициент передачи напряжения. 6Pf звучит немного мало, вопрос в том, какова расчетная точка параллельной нагрузки кристалла? Вы не хотите двигаться далеко от этого значения. У меня обычно 27 пф с каждой стороны.

Я тоже вижу одно соде, если кристалл привязан напрямую к выходу процессора. Этот выход может иметь низкое Z, что может привести к перегрузке кристалла. Помните, что характеристики привода этих часовых стекол крошечные, их очень легко перегрузить. Серия R 100K может использоваться для уменьшения кварцевого привода.

Убедитесь, что процессор имеет внутренний резистор смещения 1 - 10 МОм между выходом и входом. Вы упомянули, что он начинает колебаться при прикосновении к прицелу. Это может быть проблема со смещением постоянного тока (я полагаю, зонд 10Meg) или, возможно, колпачок зонда, регулирующий коэффициент передачи настроенной цепи.

Будьте очень чистыми (без рассеянного потока) и очень короткими проводами. Это настоящая схема Hi Z.

Боб К.

Кроме того: «Стандартные» пробники, которые я использую, имеют размер x 100, поскольку они обеспечивают наименьшую емкость, насколько я помню, около 1,5 пф. Использование x 10 в этой схеме затруднительно, x 1 бесполезен. Ues x 100 и увеличьте вертикальное усиление прицела, заставьте переднюю часть прицела делать свою работу. Щупы X 1 почти бесполезны для больших Z или высоких скоростей. Вам понравится, как x 100 выполняет цифровую работу, так как токи зажима GND снижаются в 10 раз. Попробуйте.

На частоте 32 кГц это не типичные кристаллы с огранкой XT/AT, а скорее кристаллы для цифровых часов, крошечные «камертоны» длиной в несколько миллиметров.

Поскольку он реагирует на прикосновение, смещение постоянного тока, обеспечиваемое PIC, может быть неправильным. Попробуйте добавить большое сопротивление между выводами генератора (10 МОм, даже 22 МОм).

Возможно, ваш кристалл может быть поврежден перегрузкой. (Один референс предлагает добавить сопротивление более 100 кОм между выводом SOSC и кристаллом.)

Для получения дополнительной информации прочитайте спецификации для старых микросхем с генераторами, использующими эти низкочастотные камертонные кристаллы...

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

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

PS Я заметил, что у электронной золотой жилы в настоящее время есть дешевые «часовые кристаллы» камертоны с необычными частотами, а не 32КГц.

По моему опыту и большинству OEM-производителей, таких как TI, рекомендуется внешняя обратная связь 1 МОм, а не 10 МОм, которая уже находится внутри. Камертонные резонаторы имеют высокое ESR и имеют гораздо более низкие пороги повреждения uW, чем кристаллы в режиме XT или AT.

.предупреждение. Если вы проигнорируете примечания к приложению Mfg или OEM, оно может быть повреждено.

Это параллельный резонансный контур. Резонанс представляет собой высокоимпедансный фазовый сдвиг на 180 градусов, который после инверсии дает положительную обратную связь. Внутри имеется обратная связь с высоким сопротивлением 10 МОм, которая при постоянном токе служит для самосмещения входа на Vdd/2, чтобы выдать на выходе прямоугольную волну, имеющую среднее постоянное напряжение Vdd/2.

Если входной постоянный ток не близок к этому значению, Vdd/2, где он работает как линейный инвертирующий усилитель, выходной сигнал застрянет на «1» или «0». Я ожидаю, что 330 Ом между входом SOSCI и Vss или Vdd достаточно сдвинет смещение и остановит часы. Это противоречит вашим тестам с 330 Ом до 0 В и имеет смысл только в том случае, если вы поменяли местами вход и выход, поскольку только выход SOSCO может управлять этим.

Емкость двигателя составляет всего около 3,5 фФ (фентофарад) при индуктивности около 35 кГн и ESR 35~70 кОм. Это определяет оптимальные параметры резонатора для генерации на частоте 32768 Гц. Q > 10k.

Если вы читаете приложение Microchip. обратите внимание, он рекомендует; один из них http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• добавьте внешнюю обратную связь 1M, чтобы уменьшить потенциальные ошибки из-за загрязнения поверхностной утечки и неправильного смещения
• добавьте серию R, чтобы предотвратить перегрузку uW, например, 10k, и проверьте это на запас с отсутствием генерации запаса Rs/(sRs+ESR)> 2 = предельный, 3 = лучший, 5 = лучший Это гарантирует, что для генерации достаточно усиления контура.
• если вы используете неравные конденсаторы, сделайте входной конденсатор меньше, чтобы учесть входную емкость.
• очистить все колодки от флюса
• рассмотрите остров защитного промежутка вокруг всего cct, затем сигнал защиты периметра или заземление. чтобы уменьшить помехи от пальцев или перекрестные помехи.

Единственным серьезным недостатком вашей конструкции было медное заполнение вокруг всех дорожек, которое добавляет слишком большую емкость и уменьшает обратную связь фазового сдвига со 180 до 90 градусов, где, если коэффициент усиления петли недостаточен, он не будет колебаться или вызывать более низкий резонанс. Эта компоновка вынуждает вас выбирать xtal, требующий большей грузоподъемности для обеспечения устойчивости, чтобы удовлетворить критерии Баркгаузена.

Эти промежутки между дорожками должны быть такими же или не меньше, чем промежутки между контактными площадками ИС, так как рассеяние C gnd обратно пропорционально зазору.

Хотя рекомендации Microchip улучшают маржу, они не ожидали пользователей, которые используют агрессивные медные зазоры < 0,1 мм.

Пробник 1:1 имеет слишком большую индуктивность заземления и емкость коаксиального кабеля, а 1M также нарушит входное смещение постоянного тока.