Cristal 32 kHz ne fonctionnant pas comme prévu

J'essaie de comprendre ce problème depuis quelques jours maintenant, en lisant sur le fonctionnement / la configuration typique de Crystal, et je suis perdu. J'ai essayé de chercher ici mais je n'ai rien rencontré de similaire à mon problème, donc je suis désolé si j'ai raté ma solution quelque part.

Je suis en train d'exécuter un RTC au large d'un cristal externe à l' aide d' un PIC, mais le cristal est pas oscillant quand je pense à et est oscillant dans d' autres circonstances, et je ne peux pas faire de sens. Je ne suis pas un EE cependant, donc je suis probablement juste super ignorant.

Le cristal: LFXTAL016178 . Je suis assez certain que parce que rien n'est répertorié, c'est un cristal résonnant parallèle. Sa capacité de charge est de 6 pF, ce que j'ai trouvé assez rare? Je ne suis pas sûr.

Le PIC: PIC24FJ128GB204 . J'ai connecté le cristal comme le suggère la fiche technique, mais il ne fournit pas beaucoup d'aide explicite dans la sélection des condensateurs de charge, j'ai donc fait quelques recherches et trouvé d'autres ressources en ligne pour m'aider là-bas.

La configuration: j'ai vu à partir de quelques sources qu'une bonne règle de base pour les condensateurs de charge est , ajoutant une capacité parasite àC1etC2comprise entre 2 et 5 pF. J'ai choisi ce que je pensais être une valeur moyenne de 6pF pour les deux condensateurs, et je ne sais toujours pas à quel point cette sélection était mauvaise.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

Voici une photo de mon schéma :

Cas où cela ne fonctionne pas:

• Comme dans le schéma, avec des condensateurs de charge 6pF sur les deux broches, il n'oscille pas. À moins qu'il oscille toutes les 10 minutes ou quelque chose du genre.
• Une fois les condensateurs retirés, il oscille extrêmement lentement, peut-être environ 2,5 fois plus lentement qu'il ne devrait. Je n'ai pas mesuré cette vitesse.
• Avec des condensateurs supplémentaires de 6pF soudés sur le dessus pour fabriquer des condensateurs de 12pF, il n'oscille pas.
• Avec 3 condensateurs pF et une résistance de 10 MOhm entre les broches. (L'horloge RTCC est erratique.)

Cas où il exerce ses travaux:

• Quand je sonde la broche SOSCI avec un oscilloscope. Dans les trois premiers cas ci-dessus, dès que j'ai touché la sonde à la broche SOSCI, elle a démarré et m'a donné une belle onde sinusoïdale propre. Il ne l'a pas fait lorsque j'ai touché la broche SOSCO, OU lorsque j'ai utilisé des condensateurs 3pF. Je sais que cela ne fonctionnait pas auparavant à cause de certaines LED qui sont censées clignoter toutes les secondes, qui ne clignotaient qu'avec la sonde connectée. (Je ne sais pas tout sur les oscilloscopes, je sais juste comment les utiliser. La sonde indique 6 MHz / 1MOhm / 95pF, et la portée indique 60 MHz / 1 GS / s et 300 V CAT II où la sonde se connecte. C'est un Tektronix TDS 2002 si cela signifie quelque chose pour n'importe qui.)
• Lorsque je connecte une résistance de 330 Ohms entre SOSCI et la masse. C'est l'une des deux résistances que j'ai sous la main; le 10k avait l'air de le faire fonctionner à environ la moitié de la bonne fréquence.
• Avec 3 condensateurs pF, mais à 14 kHz.

Voici quelques fréquences que j'ai mesurées:

• (Capsules 12 pF) Sonde de contact de fréquence vers SOSCI: 32,7674 kHz
• (12 pF Caps) Sortie de fréquence par PIC avec le pull-down de 330 ohms sur SOSCI: 32,764 kHz
• (12 pF Caps) Sortie de fréquence par PIC en utilisant LPRC: 32,68 kHz
• (3 pF Caps) Sortie de fréquence par PIC: 14,08 kHz

Fondamentalement, ce que j'aimerais savoir, c'est pourquoi il oscille parfaitement parfois lorsque j'utilise une sonde de portée, et quelle devrait être la bonne solution afin de la faire fonctionner comme je le souhaite.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

Le fabricant de MCU est probablement en faute. Il n'y a absolument aucune excuse pour ne pas concevoir un oscillateur MCU RTC moderne pour fonctionner de manière fiable avec tout cristal typique de 32 kHz disponible dans le commerce.

Malheureusement, l'inverse est beaucoup plus courant, comme vous l'avez déjà découvert - dans votre cas, la fiche technique du MCU ne mentionne pas que la capacité de charge de 6pF ne fonctionne pas.

Le problème fondamental est que vous avez affaire à un système à deux composants , fabriqué par deux fabricants différents. L'un d'eux parle de silicium et l'autre de quartz, et ils ne se sont jamais vraiment entendus sur la façon de dire aux designers comment leurs produits fonctionnent de manière fiable.

Ainsi, comme vous l'avez découvert, l'oscillateur à cristal peut être un piège pour les fatigués. J'ai vu une importante chaîne de production automobile s'arrêter à cause de problèmes de démarrage de l'oscillateur à cristal!

Quoi qu'il en soit, pour en venir à votre question POURQUOI , quatre paramètres importants sont en jeu:

1. Impédance de sortie de l'oscillateur MCU. Cela varie en fonction de la fréquence et est souvent compliqué par des bits de configuration tels que "niveau de lecteur" ou "niveau de puissance". Je n'ai jamais vu ces valeurs spécifiées / garanties par un fabricant de MCU.

2. Impédance d'entrée du réseau externe "condensateur-cristal-condensateur" pi ". Ceci est principalement déterminé par le condensateur du côté entrée, qui à son tour est déterminé par la capacité de charge spécifiée par le fabricant de cristal.

3. $G_m$

4. Gain de tension (en fait perte) du circuit externe Cap-Xtal-Cap "Pi" à la résonance. Ceci est principalement déterminé par la résistance série équivalente interne (ESR) du cristal. Le cristal que vous avez mentionné spécifie ESR = 50k. La résistance augmente également avec l'âge (à mesure que l'humidité / les impuretés s'infiltrent dans le boîtier en cristal) et est également affectée par la température / le temps de soudage. (Les impuretés dans le boîtier cristallin s'évaporent et se déposent sur le quartz) L'ESR peut également varier considérablement entre les lots de fabrication. 50k est un ESR assez typique pour un cristal 32kHz - le plus bas que j'ai vu spécifié à 32kHz pour les cristaux à petit facteur de forme est 30k.

Pour que tout oscillateur fonctionne, le gain de tension total, qui est le produit de (3) et (4), doit être> 1. De plus, la phase du gain (oui, le gain est un nombre complexe) doit être à 360 degrés. Environ la moitié de la phase, 180 degrés, est fournie par l'amplificateur inverseur, et la "deuxième inversion" est fournie par le réseau cap-xtal-cap.

Voici une simulation en ligne simple qui peut vous aider à comprendre comment le gain, l'impédance de sortie et les valeurs des condensateurs interagissent et affectent le démarrage. Cliquez avec le bouton droit sur un composant pour modifier sa valeur. (Remarque - cette simulation utilise une tension de condensateur résiduelle de 1 mV pour simuler le démarrage, mais dans la vraie vie, le bruit dans l'amplificateur est la source du démarrage, comme dans celui-ci )

Que s'est-il donc passé dans votre cas? Très probablement, le concepteur d'oscillateur MCU a conçu son étage de sortie pour fonctionner de manière fiable avec des cristaux chargés de 12,5pF, et il s'est avéré qu'à une charge de 6pF, le gain de tension ou les exigences de phase n'étaient tout simplement pas satisfaites. Étant donné que rien sur les hypothèses de conception n'est indiqué dans la fiche technique, le tour est joué, problème pour vous - et bien d'autres.

Wow, que devrait faire un concepteur intégré?

Tout d'abord, sachez toujours qu'un oscillateur à cristal marginal peut coûter cher à votre entreprise.

Deuxièmement, à la lumière de ce qui précède, surtout si vous manquez d'expérience ou si votre fournisseur de microcontrôleurs ne spécifie pas de paramètres cristallins dans la fiche technique , votre meilleur investissement pourrait être un oscillateur externe à faible puissance de 32 kHz.

Troisièmement, assurez-vous d'utiliser un cristal avec ESR et capacité spécifiée par votre fabricant de microcontrôleurs. Si vous n'en voyez pas dans la fiche technique, demandez à votre fournisseur une liste des références de cristal recommandées, ou choisissez un MCU qui le fait.

Quatrièmement, testez, testez, testez! Sur toutes les tensions et températures . Notez combien de temps le démarrage prend en le chronométrant dans le firmware en utilisant une horloge RC si possible, et si les unités de production dépassent la norme, disons 2x, laissez votre firmware de test définir un indicateur afin qu'il puisse être remarqué dans les tests de production. De cette façon, les unités de production ne peuvent pas sortir avec des oscillateurs marginaux sans sonner l'alarme.

Que font les ingénieurs expérimentés en vérification de production?

Ils contournent le manque général d'informations appropriées en exigeant une marge de sécurité de 10x entre "ce qui fonctionne" et "ce qui fonctionne de manière fiable" - ils mesurent l'ESR réel, puis ajoutent 10x "résistance au handicap" supplémentaire en série avec le cristal dans le réseau cap-xtal-cap. Si le système "ESR handicapé" fonctionne sur toutes les combinaisons de tension et de température , alors on suppose que la marge de sécurité 10x est suffisante pour couvrir les variabilités inconnues du gain ESR et MCU. Ceci est partiellement expliqué dans la figure 3 de cette note d'application.

Que devrais tu faire?

Si vous ne pouvez pas effectuer le test ci-dessus pour une raison quelconque et que vous souhaitez vendre un produit par milliers, vous feriez certainement mieux d'investir les sous supplémentaires pour un oscillateur standard de 32 kHz d'un fournisseur d'oscillateurs qui a fait tout ce test pour vous , ou en passant à un MCU qui spécifie un cristal spécifique (ou des exigences de cristal) dans la fiche technique de l'appareil.

Bien que vous puissiez «corriger» la situation en sélectionnant un cristal avec une résistance interne plus faible et / ou en jouant avec des valeurs de condensateur différentes / asymétriques, votre solution pourrait encore être marginale, pour les raisons expliquées ci-dessus.

TL; DR:

Les oscillateurs à cristal peuvent coûter beaucoup de temps et d'argent à votre entreprise. Utilisez un oscillateur externe si vous le pouvez, ou effectuez le test "ESR handicapé" comme décrit ci-dessus sur toutes les plages de tension et de température.

Enfin, assurez-vous d'utiliser des condensateurs NPO pour la stabilité de la température.

Il se passe deux choses principales:

1. Vous n'avez pas assez de capacité de charge.

2. Vous ne comprenez pas la capacité de charge.

Imaginez un côté d'un cristal entraîné par une onde sinusoïdale à la fréquence du cristal. Ce signal est de faible impédance. La capacité de charge est la capacité que vous mettez de l'autre côté du cristal pour provoquer un déphasage de 180 °.

Le déphasage de tels cristaux varie rapidement en fonction de la fréquence à la fréquence de fonctionnement des cristaux. Étant donné que la phase en fonction de la fréquence est très raide à droite à la fréquence de fonctionnement, c'est une bonne chose pour le circuit de commande à utiliser pour s'assurer que le cristal fonctionne à la fréquence prévue. Ces types de circuits oscillent de manière optimale lorsque le cristal décale la phase d'entrée de 180 °. Étant donné que seul un petit changement de fréquence gâche cela, l'oscillation résultante est très proche de la fréquence prévue du cristal.

Revenons maintenant à votre circuit. Le gros indice est que les choses fonctionnent lorsque vous placez une sonde d'oscilloscope sur la broche d'entrée de l'oscillateur. Ce que cela fait, c'est ajouter de la capacité du côté sortie du cristal. Apparemment, avec la configuration que vous avez, la capacité supplémentaire de la sonde de portée amène le cristal à décaler la phase de la quantité appropriée pour que le système oscille. Si vous ajoutez vous-même plus de capacité à la sortie cristal , vous reproduisez l'effet de la sonde de portée et les choses fonctionneront. Essayez encore 10 pF ou plus pour commencer.

N'utilisez pas les formules que vous trouvez à l'autre bout d'Internet sans les comprendre. L'équation que vous montrez fait un tas d'hypothèses, certaines d'entre elles ne sont pas valides. Malheureusement, il y a beaucoup de stupidité conventionnelle concernant les cristaux.

Le cristal en lui-même n'est qu'un appareil à deux bornes et ne "sait" rien de la masse de votre circuit. En fin de compte, la capacité de charge est ce qui se trouve à travers ses bornes. La bêtise conventionnelle dit donc d'utiliser deux condensateurs égaux de chaque côté du cristal à la masse. Puisque ceux-ci sont en série, chacun doit être le double de la capacité souhaitée. Cependant, quelle que soit la capacité parasite à la terre que vous pensez qu'il y a de chaque côté du cristal, vous devez soustraire ces capacités.

Le problème avec la stupidité conventionnelle est qu'elle ignore l'impédance de la sortie du pilote de cristal. Considérez le cas extrême où c'est 0. Dans ce cas, la capacité ajoutée du côté entrée du cristal est complètement hors de propos, car elle est en parallèle avec l'impédance 0 du pilote. La charge sur le cristal n'est alors que la capacité à sa sortie.

Faites quelques calculs. L'impédance de 6 pF à 32,8 kHz est de 810 kΩ. Maintenant, l'impédance du pilote de cristal n'est certainement pas nulle, mais très probablement significative par rapport à 810 kΩ.

Considérez ce que chacun des bouchons fait vraiment. Celui sur l'entrée charge le pilote Crystal. Le but principal de cela est d'atténuer certaines des harmoniques qui sortent du pilote. Cela bat moins sur le cristal et rend moins probable que l'ensemble du système oscille à une harmonique. Les crypts ont des caractéristiques de transfert complexes. Ils peuvent avoir certaines des mêmes caractéristiques aux harmoniques qu'à la fréquence de fonctionnement prévue. Certains cristaux sont coupés de manière à permettre délibérément une utilisation aux harmoniques, appelés mode harmonique dans l'industrie.

La capacité sur la sortie est la vraie capacité "de charge". Sa réactance fonctionne contre celle du cristal pour déphaser le résultat de la bonne quantité à la bonne fréquence.

Dans votre cas, le cristal est évalué pour une charge de 6 pF, et c'est ce que vous mettez sur sa sortie. Cela aurait dû fonctionner. Je suppose que ce qui se passe est que le capuchon à l'entrée du cristal, vraiment à la sortie du pilote de cristal, a également provoqué un décalage de phase qui a fonctionné contre celui du plafond de charge. À titre de test, essayez de retirer le capuchon de l'entrée cristal et de laisser le 6 pF sur sa sortie. Ce serait bien de voir la forme d'onde sur l'entrée cristal alors, mais même une sonde de portée 10x pourrait la changer. Essayez quand même, mais assurez-vous que la sonde de l'oscilloscope est réglée sur l'impédance la plus élevée, donc la capacité la plus faible possible.

Les deux calottes et le cristal fonctionnent comme un déphasage de 180 degrés. Les magnitudes des deux bouchons (rapport) définiront le rapport de transfert de tension. 6Pf semble un peu petit, le problème est quel est le point de conception de la charge parallèle en cristal? Vous ne voulez pas vous éloigner de cette valeur. J'ai généralement 27pf de chaque côté.

Je vois également un sode si le cristal est directement lié à la sortie du processeur. Cette sortie peut être un faible Z qui peut trop conduire un cristal. N'oubliez pas que cette spécification de lecteur de ces cristaux de montre est minuscule, très facile à piloter. Une série R de 100K peut être utilisée pour réduire l'entraînement des cristaux.

Assurez-vous que le processeur possède une résistance de polarisation interne de 1 à 10 mégas entre la sortie et l'entrée. Vous avez mentionné qu'il commence à osciller lorsqu'il est touché par un problème de portée. Cela pourrait être un problème de polarisation CC (sonde de portée 10 Mo, je suppose) ou probablement le capuchon de la sonde ajustant le rapport de transfert du circuit accordé.

Soyez très propre (pas de flux parasite) et des fils vraiment courts. C'est un vrai circuit Hi Z.

Bob K.

Aussi: Les sondes "standard" que j'utilise sont x 100 car elles fournissent la plus petite quantité de capacité, je me souviens d'environ 1,5pf. L'utilisation de x 10 est difficile sur ce circuit, x 1 est inutile. Ues x 100 et augmentez le gain vertical de la lunette, faites en sorte que la face avant de la lunette fasse son travail. Les sondes X 1 sont presque inutiles pour un Z élevé ou une vitesse élevée. Vous allez adorer le x 100 qui fait des travaux numériques car les courants des clips GND sont réduits d'un facteur 10. Essayez-le.

À 32 KHz, ce ne sont pas des cristaux de coupe XT / AT typiques, mais plutôt des cristaux de montre numérique, de minuscules "diapasons" de quelques mm de long.

Puisqu'il répond au toucher, la polarisation CC fournie par le PIC peut être erronée. Essayez d'ajouter une résistance de grande valeur connectée entre les broches de l'oscillateur (10 Mo, voire 22 Mo).

Il est possible que votre cristal soit endommagé par l'overdrive. (Une référence suggère d'inclure plus de 100K de résistance entre la broche SOSC et le cristal.)

Pour beaucoup d'informations, lisez les fiches techniques des puces plus anciennes avec oscillateurs utilisant ces cristaux de diapason à basse fréquence ...

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

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

PS Je remarque que la mine d'or électronique a actuellement des diapasons "cristaux de montre" bon marché avec des fréquences inhabituelles, pas 32KHz

D'après mon expérience et la plupart des OEM tels TI, recommander 1MOhm rétroaction externe, pas 10M qui déjà à l'intérieur. Les résonateurs à diapason ont un ESR élevé et des seuils de dégâts uW beaucoup plus bas que le mode XT ou les cristaux taillés AT.

.avertissement. Si vous ignorez Mfg ou OEM App Notes, il peut être endommagé.

Il s'agit d'un circuit résonnant parallèle. La résonance est un déphasage à haute impédance de 180 degrés qui, après inversion, donne une rétroaction positive. En interne, il y a une rétroaction R élevée de 10 M ohms qui, en CC, sert à polariser automatiquement l'entrée à Vdd / 2 pour donner une sortie carrée qui a une tension continue moyenne de Vdd / 2.

Si l'entrée DC n'est pas proche de cette valeur, Vdd / 2 où elle fonctionne comme un amplificateur inverseur linéaire, la sortie sera bloquée à "1" ou "0". Je m'attendrais à 330 ohms entre l'entrée SOSCI et Vss ou Vdd pour décaler la polarisation suffisamment et arrêter l'horloge. Cela contredit vos tests avec 330 Ohm à 0V et n'a de sens que si vous inversez In et Out, car seule la sortie SOSCO peut piloter cela.

La capacité de mouvement n'est que d'environ 3,5 fF (fentofarads) avec une inductance d'environ 35kH et une ESR de 35 ~ 70 kOhms. Cela définit les paramètres optimaux du résonateur pour osciller à 32 768 Hz. Le Q est> 10k.

Si vous lisez l'application de Microchip. note, il recommande; l'un d'eux est http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• ajouter 1 M de rétroaction externe pour réduire les erreurs potentielles dues à la contamination par les fuites de surface et les erreurs de polarisation
• ajoutez la série R pour éviter la surmultiplication uW, par exemple 10k et testez-la pour la marge sans échec d'oscillation de la marge Rs / (sRs + ESR)> 2 = marginal, 3 = mieux, 5 = meilleur Cela garantit qu'il y a suffisamment de gain de boucle pour osciller.
• si vous utilisez des bouchons inégaux, réduisez le bouchon d'entrée pour permettre la capacité d'entrée.
• nettoyer tous les tampons de flux
• considérons un îlot de garde autour de la totalité du cct puis un signal de garde de périmètre ou gnd. pour réduire l'interférence des doigts ou la diaphonie.

Votre seul défaut majeur de conception était le remplissage en cuivre autour de toutes les pistes ajoute trop de capacité et réduit le retour de déphasage de 180 à 90 degrés où si le gain de boucle est insuffisant, il n'oscillera pas et ne forcera pas une résonance inférieure. Cette disposition vous oblige à choisir un xtal nécessitant des bouchons de charge plus grands pour la stabilité afin de répondre aux critères de Barkhausen.

Ces écarts de piste doivent être identiques ou non inférieurs aux écarts entre les plots de CI, car C gnd parasite est inverse à l'écart.

Bien que les conseils de Microchip améliorent la marge, ils ne prévoyaient pas d'utilisateurs qui utilisent des espaces de remplissage en cuivre agressifs <0,1 mm.

La sonde 1: 1 a trop d'inductance de masse et de capacité coaxiale et 1M perturbe également la polarisation CC d'entrée.