Кристалл 32 кГц не работает должным образом

Я пытался разобраться в этой проблеме уже пару дней, читая о типичной работе кристалла / конфигурации, и я в растерянности. Я попытался выполнить поиск здесь, но не столкнулся с чем-то похожим на мою проблему, поэтому мне жаль, если я где-то пропустил свое решение.

Я пытаюсь запустить RTC от внешнего кристалла с использованием ПОС, но кристалл не колеблющийся , когда я ожидать , что это, и это осциллирующий при других обстоятельствах, и я не могу делать какой - либо смысл. Я не EE, хотя, так что я, вероятно, просто супер невежественен.

Кристалл: LFXTAL016178 . Я совершенно уверен, что поскольку ничего не указано, это параллельный резонансный кристалл. Его нагрузочная емкость составляет 6 пФ, что я нашел довольно необычным? Я не уверен.

ПИК: PIC24FJ128GB204 . Я подключил кристалл в соответствии с таблицей, но он не дает особой помощи при выборе нагрузочных конденсаторов, поэтому я провел поиск и нашел другие ресурсы в Интернете, чтобы помочь мне в этом.

Установка: я видел из нескольких источников, что хорошее правило для нагрузочных конденсаторов: , добавление паразитной емкости кC1иC2от 2 до 5 пФ. Я выбрал среднее значение 6 пФ для обоих конденсаторов, и я до сих пор не уверен, насколько плох этот выбор.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

Вот изображение моей схемы: Layout:

Случаи, когда это не работает:

• Как показано на схеме, с нагрузочными конденсаторами 6 пФ на обоих контактах он не колеблется. Если это не колеблется каждые 10 минут или что-то.
• Со снятыми конденсаторами он колеблется крайне медленно, возможно, примерно в 2,5 раза медленнее, чем следовало бы. Я не измерял эту скорость.
• С дополнительными 6pF конденсаторами, припаянными сверху, чтобы сделать конденсаторы 12pF, он не колеблется.
• С 3 пФ конденсаторами и резистором 10 МОм на контактах. (Часы RTCC ошибочны.)

Случаи , когда он делает работу:

• Когда я проверяю контакт SOSCI с помощью осциллографа. В первых трех случаях выше, как только я коснулся зонда к выводу SOSCI, он запустился и дал мне хорошую чистую синусоидальную волну. Он не делал этого, когда я касался контакта SOSCO, ИЛИ когда я использовал конденсаторы 3pF. Я знаю, что он не работал заранее из-за некоторых светодиодов, которые должны мигать каждую секунду, которые мигают только при подключенном датчике. (Я не знаю всего об осциллографах, я просто знаю, как ими управлять. Зонд показывает 6 МГц / 1 МОм / 95 пФ, а прицел говорит о 60 МГц / 1 Гс / с и 300 В CAT II, ​​где зонд соединяется. Это Tektronix TDS 2002, если это что-то значит для кого-либо.)
• Когда я подключаю резистор 330 Ом между SOSCI и землей. Это один из двух резисторов, которые у меня есть под рукой; 10k выглядело так, как будто оно заставило его работать примерно на половине правильной частоты.
• С конденсаторами 3 пФ, но с частотой 14 кГц.

Вот некоторые частоты, которые я измерил:

• (Caps 12 pF) Частотный датчик касания к SOSCI: 32,7674 кГц
• (Caps 12 pF) Частотный выход PIC с понижением напряжения 330 Ом на SOSCI: 32,764 кГц
• (Caps 12 pF) Частота, выводимая PIC с использованием LPRC: 32,68 кГц
• (Caps 3 pF) Частотный выход по PIC: 14,08 кГц

По сути, я хотел бы знать, почему он иногда колеблется идеально, когда я использую зонд области, и каким должно быть правильное решение, чтобы оно работало так, как я хочу.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

Производитель MCU, вероятно, виноват. Нет абсолютно никаких оправданий для того, чтобы не проектировать современный генератор MCU RTC для надежной работы с любым типичным коммерчески доступным кристаллом 32 кГц.

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

Основная проблема заключается 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 никогда не соглашались, как сказать дизайнерам, как их продукты надежно работают вместе.

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

В любом случае, чтобы ответить на ваш вопрос ПОЧЕМУ , на карту поставлены четыре важных параметра:

1. Выходной импеданс генератора MCU. Это зависит от частоты и часто осложняется битами конфигурации, такими как «уровень привода» или «уровень мощности». Я никогда не видел эти значения, указанные / гарантированные ни одним производителем MCU.

2. Входной импеданс внешней конденсаторно-кристаллической конденсаторной «пи» сети. Это в первую очередь определяется конденсатором на входной стороне, который, в свою очередь, определяется емкостью нагрузки, указанной изготовителем кристаллов.

3. $G_m$

4. Усиление напряжения (фактически потеря) внешней схемы Cap-Xtal-Cap "Pi" при резонансе. Это в первую очередь определяется внутренним эквивалентным последовательным сопротивлением (СОЭ) кристалла. Кристалл, который вы упомянули, указывает ESR = 50k. Сопротивление также увеличивается с возрастом (поскольку влага / примеси просачиваются в корпус кристалла), а также зависит от температуры / времени пайки. (Примеси в кристаллическом корпусе испаряются и оседают на кварце). ЭПР также может значительно варьироваться в зависимости от производства. 50k - довольно типичное ESR для кристалла 32 кГц - самое низкое значение, которое я видел при 32 кГц для кристаллов малого форм-фактора, составляет 30k.

Для работы любого генератора общее усиление напряжения, являющееся произведением (3) и (4), должно быть> 1. Кроме того, фаза усиления (да, усиление является комплексным числом) должна составлять 360 градусов. Около половины фазы, 180 градусов, обеспечивается инвертирующим усилителем, а «вторая инверсия» обеспечивается сетью cap-xtal-cap.

Вот простая онлайн-симуляция, которая может помочь вам понять, как усиление, выходной импеданс и значения конденсатора взаимодействуют и влияют на запуск. Щелкните правой кнопкой мыши любой компонент, чтобы изменить его значение. (Примечание: это моделирование использует остаточное напряжение конденсатора 1 мВ для ложного запуска, но в реальной жизни шум в усилителе является источником запуска, как в этом )

Так что случилось в вашем случае? Скорее всего, разработчик генератора MCU спроектировал свой выходной каскад так, чтобы он надежно функционировал с нагруженными 12,5 пФ кристаллами, и оказалось, что при нагрузке 6 пФ требования в отношении усиления напряжения или фазы просто не выполнялись. Поскольку в паспорте ничего не говорится о допущениях при проектировании, вуаля, проблема для вас - и многие другие.

Вау, что должен делать встраиваемый дизайнер?

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

Во-вторых, в свете вышесказанного, особенно если вам не хватает опыта или если ваш поставщик микроконтроллеров не указывает параметры кристаллов в таблице , вашими лучшими инвестициями может быть внешний генератор малой мощности 32 кГц.

В-третьих, убедитесь, что вы используете кристалл с ESR и емкостью, указанной вашим производителем MCU. Если вы не видите ничего в спецификации, обратитесь к поставщику за списком рекомендованных номеров деталей из кристаллов или выберите подходящий MCU.

В-четвертых, тест, тест, тест! За все напряжения и температуры . Обратите внимание, сколько времени занимает запуск, синхронизируя его в микропрограмме с использованием тактовых импульсов RC, если это возможно, и, если производственные единицы превышают норму, скажем, в 2 раза, позвольте вашей тестовой микропрограмме установить флаг, чтобы это можно было заметить в производственном тестировании. Таким образом, производственные единицы не могут выйти за дверь с маргинальными генераторами без звонка будильника.

Что делают опытные инженеры по проверке производства?

Они обходят общее отсутствие надлежащей информации, требуя 10-кратного запаса безопасности между «что работает» и «что работает надежно» - они измеряют фактическую ESR, а затем добавляют 10-кратное дополнительное «сопротивление гандикапу» последовательно с кристаллом в cap-xtal-cap сеть. Если система «ESR для инвалидов» работает во всех комбинациях напряжения и температуры , то предполагается, что 10-кратный запас безопасности достаточен для покрытия неизвестных отклонений в усилении ESR и MCU. Это частично объясняется на рисунке 3 настоящей заявки.

Что вы должны сделать?

Если вы по какой-либо причине не можете выполнить вышеуказанный тест и хотите продавать продукт тысячами, вам, безусловно, лучше инвестировать дополнительные копейки в стандартный генератор на 32 кГц от производителя генератора, который провел все это тестирование для Вы или путем переключения на MCU, который указывает конкретный кристалл (или требования к кристаллам) в технических характеристиках устройства.

Хотя вы можете «исправить» ситуацию, выбрав кристалл с более низким внутренним сопротивлением и / или играя с другими / асимметричными значениями конденсаторов, ваше решение может быть незначительным по причинам, описанным выше.

TL; DR:

Хрустальные генераторы могут стоить вашему бизнесу много времени и денег. Если возможно, используйте внешний генератор или выполните тест «ESR для инвалидов», 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 емкости нагрузки.

2. Вы не понимаете емкость нагрузки.

Представьте, что одна сторона кристалла движется с синусоидой на частоте кристалла. Этот сигнал имеет низкий импеданс. Емкость нагрузки - это та емкость, которую вы положили на другую сторону кристалла, чтобы вызвать фазовый сдвиг на 180 °.

Фазовый сдвиг таких кристаллов быстро изменяется как функция частоты на рабочей частоте кристаллов. Поскольку фаза как функция частоты очень крутая прямо на рабочей частоте, это полезно для схемы управления, чтобы гарантировать, что кристалл работает на намеченной частоте. Эти типы схем оптимально колеблются, когда кристалл сдвигает входную фазу на 180 °. Так как только небольшое изменение частоты портит это, результирующее колебание очень близко к предполагаемой частоте кристалла.

Теперь вернемся к вашей схеме. Большая подсказка в том, что все работает, когда вы помещаете датчик объема на входной контакт генератора. То, что это делает, добавляет емкость на выходной стороне кристалла. По-видимому, с вашей настройкой, емкость дополнительного зонда заставляет кристалл сдвигать фазу на соответствующую величину для колебания системы. Если вы добавите больше емкости только к выходу кристалла , вы воспроизведете эффект зонда, 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 предположение, некоторые из них не верны. К сожалению, в отношении кристаллов существует много обычной глупости.

Кристалл сам по себе является всего лишь двухполюсным устройством и ничего не «знает» о заземлении вашей цепи. В конечном счете, емкость нагрузки - это то, что находится на его клеммах. Поэтому в традиционной глупости говорится, что на каждой стороне кристалла должно быть два равных конденсатора. Поскольку они последовательно, каждый должен быть в два раза больше требуемой емкости. Тем не менее, любую паразитную емкость для заземления, которую вы считаете на каждой стороне кристалла, необходимо вычесть из этих емкостей.

Проблема с обычной глупостью состоит в том, что она игнорирует сопротивление выходного сигнала кристалл-драйвера. Рассмотрим крайний случай, когда это равно 0. В этом случае емкость, добавленная на входной стороне кристалла, совершенно не имеет значения, поскольку она параллельна нулевому сопротивлению возбудителя. В этом случае нагрузка на кристалл является только емкостью на его выходе.

Сделай математику. Полное сопротивление 6 пФ при 32,8 кГц составляет 810 кОм. Теперь импеданс драйвера кристалла, конечно, не равен нулю, но, скорее всего, значим относительно 810 кОм.

Подумайте, что на самом деле делает каждая из шапок. Тот, что на входе, загружает драйвер кристалла. Основная цель этого - ослабить некоторые гармоники, исходящие из драйвера. Это меньше бьет по кристаллу и снижает вероятность того, что вся система будет колебаться по гармонике. Кристаллы имеют сложные передаточные характеристики. Они могут иметь некоторые из тех же характеристик на гармониках, что и на предполагаемой рабочей частоте. Некоторые кристаллы разрезаются так, чтобы преднамеренно разрешить использование на гармониках, называемых в промышленности режимом обертонов .

Емкость на выходе является истинной емкостью нагрузки. Его реактивное сопротивление работает против реактивного сопротивления кристалла, чтобы сдвинуть фазу нужного значения на нужной частоте.

В вашем случае кристалл рассчитан на нагрузку 6 пФ, и это то, что вы положили на его выход. Это должно было сработать. Я предполагаю, что происходит то, что крышка на входе кристалла, на самом деле на выходе драйвера кристалла, также вызывала сдвиг фазы, который работал против сдвига крышки. В качестве теста попробуйте снять крышку на входе кристалла и оставить 6 пФ на его выходе. Было бы неплохо увидеть форму волны на входе кристалла, но даже 10-кратный зонд может изменить ее. В любом случае, попробуйте, но убедитесь, что зонд прицела настроен на самое высокое сопротивление, следовательно, наименьшую возможную емкость.

Две крышки и кристалл работают как фазовый сдвиг на 180 градусов. Величины двух шапок (отношение) будут определять коэффициент передачи напряжения. 6Pf звучит немного мало, вопрос в том, что такое расчетная точка параллельной загрузки кристалла? Вы не хотите далеко уходить от этого значения. У меня обычно 27pf с каждой стороны.

Я также вижу один sode, если кристалл привязан непосредственно к выходу процессора. Этим выходом может быть низкий Z, который может привести к кристаллу. Помните, что эти характеристики кристаллов часов очень крошечные, их очень легко перебирать. Серия R 100K может быть использована для уменьшения кристалл привода.

Убедитесь, что процессор имеет внутренний резистор смещения 1 - 10 мегагерц от выхода к входу. Вы упомянули, что он начинает колебаться при прикосновении к области видимости. Это может быть проблема смещения постоянного тока (я думаю, зонд 10Мб) или, возможно, крышка зонда, регулирующая настроенный коэффициент передачи цепи.

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

Боб К.

Кроме того: «Стандартные» зонды, которые я использую, имеют размер x 100, поскольку они обеспечивают наименьшее значение емкости, насколько я помню, около 1,5 пф. Использование х 10 сложно в этой схеме, х 1 бесполезно. Использует x 100 и поднимает вертикальное усиление прицела, заставляет переднюю часть прицела выполнять свою работу. Зонды X 1 практически бесполезны для высокой Z или высокой скорости. Вы будете любить x 100, делая цифровые работы, поскольку токи зажима GND уменьшаются в 10 раз. Попробуйте.

На частоте 32 кГц это не типичные кристаллы XT / AT, а кристаллы цифровых часов, крошечные «камертоны» длиной несколько мм.

Поскольку он реагирует на прикосновение, смещение постоянного тока, обеспечиваемое PIC, может быть неправильным. Попробуйте добавить большое значение сопротивления, подключенного между контактами генератора (10Meg, даже 22Meg.)

Вполне возможно, что ваш кристалл может быть поврежден из-за перегрузки. (Один из ссылок предполагает включение более 100К сопротивления между контактом SOSC и кристаллом.)

Для получения дополнительной информации читайте спецификации для старых чипов с генераторами, использующими эти низкочастотные кристаллы камертона ...

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

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

PS Я замечаю, что у электронного goldmine в настоящее время есть дешевые камертоны с необычными частотами, а не 32 кГц.

По моему опыту и большинству OEM таких TI, рекомендую внешнюю обратную связь 1 МОм, а не 10 М, которая уже внутри. Резонаторы камертона имеют высокое ESR и имеют гораздо более низкие пороги повреждения uW, чем XT-мода или AT-граненые кристаллы.

.предупреждение. Если вы игнорируете заметки Mfg или OEM-приложения, они могут быть повреждены.

Это параллельный резонансный контур. Резонанс - 180-градусный фазовый сдвиг с высоким импедансом, который после инверсии дает положительную обратную связь. Внутри имеется обратная связь R 10 М Ом, которая на постоянном токе служит для автоматического смещения входа Vdd / 2, чтобы дать прямоугольную волну, которая имеет среднее постоянное напряжение Vdd / 2.

Если входной постоянный ток не находится рядом с этим значением, Vdd / 2, где он работает как линейный инвертирующий усилитель, выход будет зависать на «1» или «0». Я ожидал бы 330 Ом между входом SOSCI и Vss или Vdd, чтобы достаточно сместить смещение и остановить часы. Это противоречит вашим тестам с напряжением от 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.

Движущая способность составляет всего около 3,5 фФ (фэнтофарад) с индуктивностью около 35 кГс и СОЭ 35–70 кОм. Это определяет оптимальные параметры резонатора, чтобы колебаться при 32768 Гц. Q> 10k.

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

• добавить внешнюю обратную связь 1M, чтобы уменьшить потенциальные ошибки от загрязнения поверхности утечки и ошибочного смещения
• добавьте серию R, чтобы предотвратить ускорение uW, например, 10 кОм, и проверьте его на наличие запаса при отсутствии колебания запаса Rs / (sRs + ESR)> 2 = предельное значение, 3 = лучше, 5 = наилучшее. Это обеспечивает достаточное усиление контура для колебания.
• Если вы используете неравные колпачки, уменьшите входную колпачок, чтобы учесть входную емкость.
• очистить все прокладки от флюса
• рассмотрите остров защитного промежутка вокруг всего cct тогда, охранный сигнал периметра или gnd. уменьшить влияние пальцев или перекрестных помех.

Единственным существенным недостатком конструкции было то, что медная заливка вокруг всех дорожек добавляет слишком большую емкость и снижает обратную связь по сдвигу фаз со 180 до 90 градусов, где, если усиление контура недостаточно, оно не будет колебаться или вызывать более низкий резонанс. Эта схема вынуждает вас выбирать xtal, требующий больших нагрузочных колпачков для устойчивости, чтобы соответствовать критериям Баркгаузена.

Эти промежутки между дорожками должны быть такими же или не меньше, чем промежутки между контактами IC, поскольку паразитная C gnd обратно пропорциональна щели.

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

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