32 kHz kristal beklendiği gibi çalışmıyor

Bu sorunu birkaç gündür anlamaya çalışıyorum, tipik kristal işlemi / yapılandırması hakkında okuma yapıyorum ve kayboldum. Burada arama yapmayı denedim ama sorunumla benzer bir şeyle karşılaşmadım, bu yüzden çözümümü bir yerde kaçırırsam özür dilerim.

Bir PIC kullanarak harici bir kristal kapalı bir RTC yönetmeye çalışıyorum, ama kristal işlevi beklediğim zaman salınan değildir ve bir başka şartlar altında salınan ve ben bunu hiç mantıklı olamaz. Ben bir EE değilim, bu yüzden muhtemelen sadece süper cahilim.

Kristal: LFXTAL016178 . Hiçbir şey listelendiğinden, paralel bir rezonans kristali olduğundan eminim. Yük kapasitansı 6 pF'dir, bu nadir bir tür buldum? Emin değilim.

PIC: PIC24FJ128GB204 . Veri sayfasının önerdiği gibi kristali bağladım, ancak yük kapasitörlerini seçerken çok açık bir yardım sağlamaz, bu yüzden bazı aramalar yaptım ve orada bana yardımcı olacak başka kaynaklar buldum.

Kurulum: Birkaç kaynaktan yük kapasitörleri için iyi bir kural olduğunu C L = C 1 × C 2 olarak gördüm sahipsiz kapasitans eklemeC1veC2pF 2 ile 5 arasında. Her iki kapasitör için 6pF'lik orta bir değer olduğunu düşündüğüm şeyi seçtim ve hala bu seçimin ne kadar kötü olduğundan emin değilim.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

İşte benim şematik bir resim: Düzen:

Çalışmadığı durumlar:

• Şematikte olduğu gibi, her iki pimdeki 6pF yük kapasitörleri ile salınmaz. Her 10 dakikada bir sallanmadıkça falan.
• Kondansatörler çıkarıldığında, çok yavaş, belki de olması gerekenden yaklaşık 2,5 kat daha yavaş salınır. Bu hızı ölçmedim.
• 12pF kapasitörler yapmak için üstüne lehimlenmiş ekstra 6pF kapasitörler ile salınmaz.
• 3 pF kapasitör ve pimler boyunca 10 MOhm direnç ile. (RTCC saati düzensiz.)

O kılıflar yapar çalışmaları:

• SOSCI pimini bir osiloskopla araştırdığımda. Yukarıdaki ilk üç durumda, probun SOSCI pimine dokunduğumda başladı ve bana güzel bir temiz sinüs dalgası verdi. SOSCO pinine dokunduğumda veya 3pF kapasitörler kullandığımda bunu yapmadı. Sadece saniyede yanıp sönmesi gereken ve sadece bağlı prob ile yanıp sönen bazı LED'ler nedeniyle önceden çalışmadığını biliyorum. (Osiloskoplar hakkında her şeyi bilmiyorum, sadece nasıl çalıştırılacağını biliyorum. Prob 6MHz / 1MOhm / 95pF diyor ve kapsamda probun bağlandığı 60 MHz / 1 GS / s ve 300V CAT II yazıyor. TDS 2002 bu herkes için bir şey ifade ediyorsa.)
• SOSCI ile toprak arasına 330 Ohm direnç bağladığımda. Elimizdeki iki dirençten biri; 10k, doğru frekansın yaklaşık yarısında çalışmasını sağladı.
• 3 pF kapasitörlü, ancak 14 kHz'de.

Ölçtüğüm bazı frekanslar:

• (12 pF Kapak) SOSCI'ye frekans temaslı prob: 32.7674 kHz
• (12 pF Caps) SOSCI'de 330-ohm aşağı çekme ile PIC tarafından frekans çıkışı: 32.764 kHz
• (12 pF Caps) LPRC kullanarak PIC tarafından frekans çıkışı: 32,68 kHz
• (3 pF Caps) PIC ile frekans çıkışı: 14.08 kHz

Temel olarak, bilmek istediğim, bir kapsam probu kullandığımda neden bazen mükemmel bir şekilde salındığını ve istediğim gibi çalışması için doğru çözümün ne olması gerektiğidir.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

MCU üreticisi muhtemelen hatalı. Orada hiçbir mazeret kesinlikle herhangi tipik ticari olarak satılan 32kHz kristal ile güvenilir şekilde işlevine modern MCU RTC osilatör tasarımı için değil.

Ne yazık ki, daha önce de keşfettiğiniz gibi tersi çok daha yaygındır - sizin durumunuzda MCU veri sayfası 6pF yük kapasitansının çalışmadığını belirtmez.

Temel sorun, iki farklı üretici tarafından yapılan iki bileşenli bir sistemle uğraşmanızdır . Biri silikon, diğeri kuvars konuşuyor ve tasarımcılara ürünlerinin birlikte nasıl güvenilir bir şekilde çalıştığını nasıl söyleyeceklerini asla tam olarak kabul etmediler .

Yani, bildiğiniz gibi, kristal osilatör yıpranmamış bir tuzak olabilir. Kristal osilatör başlatma sorunları nedeniyle büyük bir otomotiv üretim hattının durma noktasına geldiğini gördüm!

Her neyse, NEDEN sorunuza ulaşmak için dört önemli parametre söz konusudur:

1. MCU osilatörün çıkış empedansı . Bu frekansa göre değişir ve genellikle "sürücü seviyesi" veya "güç seviyesi" gibi yapılandırma bitleri ile karmaşıklaşır. Hiçbir MCU üreticisi tarafından belirtilen / garanti edilen bu değerleri hiç görmedim.

2. Harici kapasitör-kristal kapasitör "pi" ağının giriş empedansı . Bu öncelikle giriş tarafındaki kapasitör tarafından belirlenir ve bu da kristal üreticisi tarafından belirtilen yük kapasitansı ile belirlenir.

3. $G_m$

4. Rezonansta harici Cap-Xtal-Cap "Pi" devresinin voltaj kazancı (aslında kaybı). Bu öncelikle kristalin iç eşdeğer seri direnci (ESR) ile belirlenir. Bahsettiğiniz kristal ESR = 50k belirtir. Direnç yaşla birlikte artar (nem / kirlilikler kristal kasaya sızdığında) ve lehim sıcaklığından / süresinden de etkilenir. (Kristal kutudaki kirlilikler kuvars üzerinde buharlaşır ve çökelir) ESR, üretim serileri arasında da önemli ölçüde değişebilir. 50k, 32kHz'lik bir kristal için oldukça tipik bir ESR'dir - küçük form faktörlü kristaller için 32kHz'de belirtilen en düşük değer 30k'dir.

Herhangi bir osilatörün çalışması için, (3) ve (4) ' ün ürünü olan toplam voltaj kazancı > 1 olmalıdır. Ek olarak, kazanım aşaması (evet, kazanç karmaşık bir sayıdır) 360 derece olmalıdır. Fazın yaklaşık yarısı, 180 derece, ters çevirici amplifikatör tarafından sağlanır ve "ikinci ters çevirme", kapak-xtal-kapak ağı tarafından sağlanır.

İşte kazanç, çıkış empedansı ve kapasitör değerlerinin etkileşimi ve başlatmayı nasıl etkilediğini hissetmenize yardımcı olabilecek basit bir çevrimiçi simülasyon . Değerini değiştirmek için herhangi bir bileşene sağ tıklayın. (Not - Bu simülasyon sahte başlatma için 1mV kalıntı kapasitör gerilimi kullanır, ancak yükseltici gerçek hayat gürültüde olduğu gibi başlangıçta kaynağı olan bu bir )

Peki senin davanda ne oldu? Büyük olasılıkla, MCU osilatör tasarımcısı, çıkış aşamasını 12.5pF yüklü kristallerle güvenilir şekilde çalışacak şekilde tasarladı ve 6pF yüklemesinde, voltaj kazancı veya faz gereksinimlerinin karşılanmadığı ortaya çıktı. Tasarım varsayımları hakkında hiçbir şey veri sayfasında belirtilmediğinden, voila, sizin için sorun - ve diğerleri.

Vay canına, gömülü bir tasarımcı ne yapmalı?

İlk olarak, marjinal bir kristal osilatörün işinize çok pahalıya mal olabileceğini daima unutmayın.

İkincisi, yukarıdakilerin ışığında, özellikle deneyiminiz yoksa veya MCU satıcınız veri sayfasında kristal parametreleri belirtmiyorsa , en iyi yatırımınız harici bir düşük güç 32kHz osilatör olabilir.

Üçüncü olarak, MCU üreticiniz tarafından belirtilen ESR ve kapasitanslı bir kristal kullandığınızdan emin olun. Veri sayfasında herhangi bir şey görmüyorsanız, tedarikçinizden önerilen kristal parça numaralarının bir listesini isteyin veya uygun bir MCU seçin.

Dördüncü, test, test, test! Tüm voltaj ve sıcaklıklarda . Mümkünse, bir RC saati kullanarak bellenimde zamanlamanın ne kadar sürdüğünü ve üretim birimleri normu 2x aşarsa, test belleniminizin üretim testinde fark edilebilmesi için bir bayrak ayarlamasına izin verin. Bu şekilde, üretim birimleri alarm zilleri çalmadan marjinal osilatörler ile kapıdan çıkamazlar.

Deneyimli üretim doğrulama mühendisleri ne yapar?

"Neyin işe yaradığını" ve "neyin güvenilir bir şekilde işe yaradığını" arasında 10x güvenlik marjı gerektirerek genel olarak uygun bilgi eksikliği etrafında çalışırlar - gerçek ESR'yi ölçerler , daha sonra kristal ile seri halinde ilave 10x ek "handikap direnci" eklerler. cap-xtal-cap ağı. "Engelli ESR" sistemi tüm voltaj ve sıcaklık kombinasyonları üzerinde çalışıyorsa , 10 kat güvenlik marjının hem ESR hem de MCU kazancındaki bilinmeyen değişkenleri karşılamak için yeterli olduğu varsayılır. Bu kısmen bu başvuru notunun şekil 3'te açıklanmaktadır .

Ne yapmalısın?

Yukarıdaki testi herhangi bir nedenden dolayı yapamıyorsanız ve binlerce ürün satmak istiyorsanız, tüm bu testleri yapan bir osilatör satıcısından hazır 32kHz osilatör için ekstra peni yatırım yapmaktan kesinlikle daha iyidir . Eğer veya bir MCU geçerek, cihazın veri sayfasında belirtir, spesifik bir kristal (veya kristal şartları).

Daha düşük iç dirence sahip bir kristal seçerek ve / veya farklı / asimetrik kapasitör değerleriyle oynayarak durumu "düzeltebilirsiniz", ancak yukarıda açıklanan nedenlerle çözümünüz hala marjinal olabilir.

TL; DR:

Kristal osilatörler işinize çok fazla zaman ve paraya mal olabilir. Bir kullanma dış osilatör Eğer veya tüm gerilim ve sıcaklık aralıkları üzerinde, yukarıda tarif edildiği gibi "engelli ESR" test peform.

Son olarak, sıcaklık kararlılığı için NPO kapasitörleri kullandığınızdan emin olun .

Devam eden iki ana şey var:

1. Yeterli yük kapasiteniz yok.

2. Yük kapasitansını anlamıyorsunuz.

Kristalin bir tarafının kristal frekansında sinüs dalgası ile sürüldüğünü düşünün. Bu sinyal düşük empedanstır. Yük kapasitesi, kristalin diğer tarafına koyduğunuz kapasitenin 180 ° faz kaymasına neden olmasıdır.

Bu kristallerin faz kayması, kristallerin çalışma frekansındaki frekansın bir fonksiyonu olarak hızla değişir. Frekansın bir fonksiyonu olarak faz çalışma frekansında çok dik olduğundan, kristalin istenen frekansta çalışmasını sağlamak için sürüş devresinin kullanması iyi bir şeydir. Bu tip devreler, kristal giriş fazını 180 ° kaydırdığında en iyi şekilde salınır. Sadece küçük bir frekans değişimi bunu bozduğundan, ortaya çıkan salınım kristalin amaçlanan frekansına çok yakındır.

Şimdi devrenize geri dönelim. Büyük ipucu, osilatör giriş pimine bir kapsam probu yerleştirdiğinizde işlerin çalışmasıdır. Yaptığı şey kristalin çıkış tarafına kapasitans eklemek. Görünüşe göre, sahip olduğunuz kurulumla, ek kapsam probu kapasitansı, kristalin fazı sistemin salınması için uygun miktarda kaydırmasına neden olur. Sadece kristal çıkışına daha fazla kapasitans eklerseniz , kapsam probunun etkisini çoğaltırsınız ve işler işe yarayacaktır. Yeni başlayanlar için 10 pF kadar deneyin.

İnternetin diğer ucunda bulduğunuz formülleri anlamadan kullanmayın. Gösterdiğiniz denklem bir kısmı varsayım yapar, bazıları geçerli değildir. Ne yazık ki, kristaller konusunda çok fazla geleneksel aptallık var.

Kristal tek başına sadece iki terminalli bir cihazdır ve devre toprağınız hakkında hiçbir şey "bilmez". Sonuçta, yük kapasitansı terminalleri boyunca olan şeydir. Geleneksel aptallık bu nedenle kristalin toprağa her iki tarafında iki eşit kapasitör kullandığını söyler. Bunlar seri olduğundan, her birinin istenen kapasitansın iki katı olması gerekir. Bununla birlikte, kristalin her iki tarafında olduğunu düşündüğünüz toprağa kaçak kapasitans ne olursa olsun, bu kapasitanslardan çıkarılması gerekir.

Geleneksel aptallık ile ilgili problem, kristal sürücü çıkışının empedansını göz ardı etmesidir. Bunun 0 olduğu uç durumu düşünün. Bu durumda, kristalin giriş tarafına eklenen kapasitans tamamen ilgisizdir, çünkü sürücünün 0 empedansına paraleldir. Kristal üzerindeki yük, o zaman sadece çıkışındaki kapasitanstır.

Biraz matematik yap. 32,8 kHz'de 6 pF empedansı 810 kΩ'dur. Şimdi kristal sürücünün empedansı kesinlikle sıfır değil, ancak 810 kΩ'ye göre oldukça muhtemel.

Kapakların her birinin gerçekten ne yaptığını düşünün. Girişteki kristal sürücüyü yükler. Bunun asıl amacı şoförden çıkan bazı harmonikleri zayıflatmaktır. Bu kristal üzerinde daha az atıyor ve tüm sistemin bir harmonikte salınması olasılığını azaltıyor. Kritaller karmaşık transfer özelliklerine sahiptir. Harmoniklerde, istenen çalışma frekansında olduğu gibi aynı özelliklerden bazılarına sahip olabilirler. Bazı kristaller , sektörde aşırı ton modu adı verilen harmoniklerde kasıtlı olarak kullanılmasını sağlayacak şekilde kesilir .

Çıkıştaki kapasitans, gerçek "yük" kapasitansıdır. Reaktansı, sonucu doğru frekansta doğru miktarda kaydırmak için kristalinkine karşı çalışır.

Sizin durumunuzda, kristal 6 pF yük için derecelendirilmiştir ve çıkışına koyduğunuz şey budur. Bu işe yaramış olmalıydı. Benim tahminim, kristalin girişindeki, gerçekten kristal sürücünün çıkışındaki kapağın da yük kapağınınkine karşı çalışan bir faz kaymasına neden olmasıdır. Bir test olarak, kristal girişindeki kapağı çıkarmayı deneyin ve 6 pF'yi çıkışında bırakın. Kristal girdideki dalga şeklini görmek güzel olurdu, ancak 10x kapsamlı bir prob bile onu değiştirebilir. Yine de deneyin, ancak kapsam probunun en yüksek empedansa, dolayısıyla mümkün olan en düşük kapasitansa ayarlandığından emin olun.

İki kapak ve kristal 180 derecelik bir faz kayması olarak çalışır. İki kapağın (oran) büyüklükleri voltaj aktarım oranını tanımlayacaktır. 6Pf biraz küçük geliyor, sorun kristal paralel yük tasarım noktası nedir? Bu değerden uzaklaşmak istemezsiniz. Genelde her iki tarafta da 27pf var.

Kristalin işlemci çıkışına doğrudan bağlanması durumunda da bir sode görüyorum. Bu çıkış, bir kristali fazla sürdürebilen düşük Z olabilir. Bu saat kristallerinin bu sürücüsünün spesifikasyonunun çok küçük, aşırı sürülmesi çok kolay olduğunu unutmayın. Kristal sürücüyü azaltmak için 100K'lık bir R serisi kullanılabilir.

İşlemcinin çıkıştan girişe dahili 1 - 10 Meg öngerilim direncine sahip olduğundan emin olun. Bir kapsam probuyla dokunduğunda salınmaya başladığını söylemiştiniz. Bu bir DC sapma sorunu (10Meg kapsam probu sanırım) veya muhtemelen ayarlanan devre aktarım oranını ayarlayan prob başlığı olabilir.

Gerçekten temiz (başıboş akı yok) ve gerçekten kısa teller olun. Gerçek bir Hi Z devresidir.

Bob K.

Ayrıca: Kullandığım "Standart" problar x 100'dür, çünkü en düşük kapasitansı sağlarlar, yaklaşık 1.5pf hatırlıyorum. Bu devrede x 10 kullanmak zordur, x 1 işe yaramaz. Ues x 100 ve kapsam dikey kazancını arttırır, kapsamın ön ucunun işini yapmasını sağlar. X 1 probları yüksek Z veya yüksek hız için neredeyse işe yaramaz. GND klips akımları 10 kat azaldığı için dijital işleri yaparken x 100'ü seveceksiniz. Deneyin.

32KHz'de bunlar tipik XT / AT-kesimli kristaller değildir, bunun yerine dijital saat kristalleri, birkaç mm uzunluğunda küçük "ayar çatalları" dır.

Dokunmaya yanıt verdiğinden, PIC tarafından sağlanan DC sapması yanlış olabilir. Osilatör pimleri arasına bağlı yüksek değerli direnç eklemeyi deneyin (10Meg, hatta 22Meg.)

Kristalinizin aşırı sürüşten zarar görmesi mümkündür. (Bir referans, SOSC pimi ve kristal arasında 100K'dan fazla direnç dahil edilmesini önermektedir.)

Daha fazla bilgi için, bu düşük frekanslı ayar çatal kristallerini kullanarak osilatörlü eski yongaların teknik özellik sayfalarını okuyun ...

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

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

PS Elektronik goldmine şu anda 32KHz değil, alışılmadık frekanslarda ucuz "izle kristalleri" ayar çatalları olduğunu fark ediyorum

Deneyimlerime ve çoğu OEM'in bu tür TI'larına, içeride 10M değil, 1MOhm harici geri bildirim öneriyoruz. Ayar çatalı rezonatörleri yüksek ESR'ye sahiptir ve XT modundan veya AT kesim kristallerinden çok daha düşük uW hasar eşiklerine sahiptir.

.uyarı. MFG veya OEM Uygulama Notlarını dikkate almazsanız hasar görebilir.

Bu paralel bir rezonans devresidir. Rezonans, yüksek empedanslı 180 derece faz kaymasıdır, bu da ters çevrildikten sonra olumlu geri bildirim verir. Dahili olarak, DC'de Vdd / 2'nin ortalama voltajı Vdd / 2 olan bir kare dalga vermek için Vdd / 2'deki girişi kendinden saptırmaya yarayan 10M ohm yüksek R geri beslemesi vardır.

DC girişi, doğrusal bir ters çevirici amplifikatör olarak çalıştığı bu değere (Vdd / 2) yakın değilse, çıkış "1" veya "0" değerinde sıkışacaktır. Ben giriş SOSCI ve Vss veya Vdd arasında 330 ohm önyargı yeterince kaydırmak ve saati durdurmak için beklenir. Bu çelişkili , 330 Ohm ila 0V arasındaki testlerinizle ve yalnızca Giriş ve Çıkış'ı ters çevirdiğinizde mantıklıdır, çünkü yalnızca SOSCO çıkışı bunu sürdürebilir.

Hareketsel kapasitans, yaklaşık 35kH endüktans ve 35 ~ 70 kOhms'lik ESR ile sadece yaklaşık 3.5 fF'dir (fentofaradlar). Bu, 32768 Hz'de salınacak optimum rezonatör parametrelerini tanımlar. Q> 10k.

Mikroçip uygulamasını okuduysanız. not, tavsiye eder; onlardan biri http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• yüzey kaçağı kontaminasyonu ve yanlış önyargıdan kaynaklanan olası hataları azaltmak için 1M harici geri bildirim ekleyin
• uW aşırı hızını önlemek için R serisi ekleyin, örneğin 10k ve bunu salınım marjı Rs / (sRs + ESR) başarısız olduğunda marj için test edin> 2 = marjinal, 3 = daha iyi, 5 = en iyi Bu, salınım için yeterli döngü kazancı olmasını sağlar.
• eşit olmayan büyük harfler kullanıyorsanız, giriş kapasitansına izin vermek için giriş kapağını daha küçük yapın.
• tüm akı pedlerini temizle
• tüm cctv etrafında bir çevre boşluğu ada sonra çevre koruma sinyali veya gnd düşünün. parmak girişimini veya karışmalarını azaltmak için.

Tek büyük tasarım kusurunuz , tüm izlerin etrafındaki bakır dolgusunun çok fazla kapasitans eklediği ve Döngü kazancı yetersizse, salınım yapmayacak veya daha düşük bir rezonansı zorlamayacak olan Faz kayması geri bildirimini 180 dereceden 90 dereceye düşürmesiydi. Bu düzen, Barkhausen kriterlerini karşılamak için stabilite için daha büyük yük kapakları gerektiren bir xtal seçmeye zorlar.

Bu iz boşlukları, başıboş C gnd boşluğa ters olduğu için IC pedleri arasındaki boşluklarla aynı veya daha az olmamalıdır.

Microchip'in tavsiyesi marjı artırsa da, agresif bakır dolum boşlukları kullanan kullanıcıların 0,1 mm olmasını beklemiyorlardı.

1: 1 prob çok fazla toprak endüktansı ve koaksiyel kapasitansına sahiptir ve 1M ayrıca giriş DC sapmasını bozacaktır.