Visualización 7 segmentos. Multiplexar Reloj en tiempo real perturbador

Question

Uno de mis colegas está diseñando un reloj digital con pantallas de 7 segmentos. La función del reloj recae en un circuito integrado de Reloj en Tiempo Real, PCF8563.

El CI de RTC funciona con un cristal de 32.768kHz y sus capacitores externos (un capacitor es fijo y el otro es un ajustador para el ajuste de frecuencia). El ajuste se garantiza midiendo la función de salida de 1Hz (frecuencia de prueba) del CI de RTC usando un contador/frecuencímetro de precisión. Por cierto, el protocolo de comunicación entre el MCU y el CI de RTC es I²C con una velocidad de 400kHz.

En lugar de utilizar módulos de pantalla de 7 segmentos (como este), decidió utilizar LEDs SMD de carcasa 0603 discretos para lograr el efecto de pantalla de 7 segmentos (esto es importante) y para ser más económico. Colocó estos LEDs en un lado de la PCB, mientras que el otro lado está lleno de otros componentes (es decir, regulador, MCU, batería de respaldo, CI de controladores, etc). La PCB está hecha de material FR4 de 1.6mm de espesor.

PROBLEMA

Las pantallas se multiplexan con una frecuencia de 100Hz (mínimo). Antes de que los LEDs se enciendan, la frecuencia de prueba medida a partir de la salida del CI de RTC se puede ajustar a 1.00000Hz. Sin embargo, una vez que el MCU comienza a multiplexar los LEDs, la frecuencia de prueba cambia a 1.5Hz o incluso 2.5Hz y se mantiene inestable.

PRUEBAS Y ERRORES

Poner a tierra la caja metálica externa del cristal, añadir áreas de tierra, ajustar la frecuencia de multiplexación no funcionó. Es bastante interesante que el uso de módulos de pantalla de 7 segmentos o separar el CI de RTC y sus componentes externos (es decir, cristal y capacitores) a otra PCB no causa ningún problema.

PREGUNTA

A pesar de que el uso de una PCB separada para el bloque de RTC o el uso de módulos de pantalla de 7 segmentos resuelve todos los problemas, está limitado a utilizar solo una PCB que albergue todos los componentes. Entonces, ¿qué puede estar causando este problema de cambio de frecuencia? ¿Qué se debe hacer para solucionarlo?

Answer 1

Como tu colega no puede proporcionar los esquemas o el diseño de la PCB, cualquier respuesta solo puede ser un "mejor esfuerzo de suposición" ya que no podemos ver cómo es en realidad el diseño.

usar una PCB separada para el bloque de RTC o usar módulos de visualización de 7 segmentos resuelve todos los problemas

Esto nos dice que mover el RTC, o el diseño de esquemáticos y PCB diferentes para los displays de 7 segmentos, es suficiente para resolver uno o más de los problemas con el diseño, al menos lo suficiente como para que parezca funcionar (aunque algunos problemas de diseño todavía pueden persistir, incluso cuando un diseño parece funcionar).

Los RTCs típicamente usan una señal de manejo de cristal de bajo consumo (para ahorrar energía) y una entrada de alta impedancia, pero esto los hace sensibles a interferencias de señales cercanas. Si tal interferencia ocurre, esas transiciones adicionales de la señal OSCI harán que el reloj funcione más rápido, que es tu síntoma.

Mover el RTC a una PCB separada obviamente aumenta la distancia desde posibles fuentes de interferencia a la señal OSCI, por lo que esto sugiere que una o más fuentes de interferencia están acoplándose en esa señal (o acoplándose en la señal OSCO, lo que luego afecta a OSCI).

NXP proporciona un documento útil - Manual de Usuario UM10301 para los Relojes de Tiempo Real de NXP PCF85x3, PCF85x63, PCA8565, PCF2123 y PCA21125 - que incluye pautas de diseño para evitar este tipo de problema. Es probable que el diseño existente de tu colega esté incumpliendo una o más de estas pautas, lo que está causando el problema que describes.

Es mejor leer todo el documento, pero una de las secciones relevantes es la sección 14 que he incluido a continuación. Esto incluye las directrices de diseño de la PCB. Síguelas. Es posible que el diseño de tu colega comience a funcionar correctamente antes de hacer cambios para seguir todas las directrices, pero todas deben considerarse para lograr la mejor inmunidad al ruido y la fiabilidad del diseño.

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