¿Cómo probar un resonador de cristal en placa?

Question

Tengo 2 resonadores de cristal de cuarzo en mi placa de circuito impreso: 32.768 kHz y 20 MHz. Están conectados a un IC transceptor Freescale MC12311, que tiene un microcontrolador HCS08 incrustado en él. Quiero probar si estos cristales están funcionando correctamente o no.

Herramientas disponibles: Osciloscopio, Frecuencímetro (Contador Digital), Multímetro Digital.

¿Cómo debo usar estas herramientas para probar los cristales en la placa?

• Nota: El efecto de carga capacitiva de las sondas probablemente debería ser considerado. De lo contrario, la medición no sería precisa, o incluso peor, los cristales no funcionarían en absoluto.

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Edit1: Usé tanto el osciloscopio como el frecuencímetro (con sondas x10), pero desafortunadamente no se monitorizó nada en absoluto.

Answer 1

Como veo que nadie aceptó la respuesta, permítanme ofrecer otra respuesta.

La mayoría de los IC modernos utilizan el llamado Oscilador de Pierce para generar relojes estables utilizando cristales. Aquí está la configuración principal del circuito:

Como se puede ver, el circuito no es simétrico: el lado derecho es la salida de algún controlador (generalmente designado como XO) y el lado izquierdo es la entrada a un amplificador inversor (generalmente designado como XI). Por lo tanto, es relativamente seguro sondar el extremo XO (salida), siempre y cuando la sonda tenga una impedancia relativamente alta. Una sonda pasiva 1:10 con una impedancia de entrada de 1 MΩ debería hacer el trabajo. En la práctica, el controlador de salida en el amplificador del circuito está hecho intencionalmente débil, típicamente con una capacidad de carga no superior a 1 mA, para evitar que el Xtal sea sobremanejado, pero 1 mA debería ser suficiente para impulsar una sonda de osciloscopio de 1 M.

La capacitancia de la punta de la sonda puede desplazar la frecuencia de oscilación en 20-50 ppm, ya que cambiará la sintonización del circuito (carga de Xtal, C1 en serie con C2). Sin embargo, la carga de la sonda en XO no debería interrumpir las oscilaciones, a menos que todo el circuito sea demasiado marginal y no cumpla con los criterios de estabilidad (la impedancia negativa del amplificador debería ser de 3-5 veces más que la ESR de Xtal). Si la sonda hace esto, considera la prueba de Xtal como fallida.

Nunca se debe intentar sondar la entrada XI, tal vez solo con una sonda de 100 MΩ, y solo por curiosidad. La razón no está en la capacitancia de la punta (2-8-12 pF o lo que sea), sino en infligir un desplazamiento DC en el pin XI debido a la impedancia finita de la sonda. El oscilador de Pierce es un circuito no lineal muy delicado y tiene un componente de retroalimentación DC muy importante R1, que ajusta efectivamente el nivel DC de entrada al punto de máxima amplificación, por lo general alrededor de la mitad del camino desde tierra hasta Vcc. El componente R1 suele ser de 1 MΩ y superior, y las oscilaciones se centran en un punto DC autoseleccionado. Adjuntar incluso una sonda de 10 MΩ desplaza este punto hacia abajo, la amplificación cae y las oscilaciones se detienen.

Y, por supuesto, la mejor manera de probar las oscilaciones no es tocarlas con sondas, sino tener un búfer interno con salida a algún otro pin de prueba de GPIO.

Answer 2

Una vez tuve un problema de depuración similar con mis controladores Atmel ATMEGA328P, los resonadores cerámicos de 8Mhz no parecían estar funcionando. Tenía un osciloscopio barato de doble canal Rigol, y había revisado una placa que había hecho anteriormente y la bonita señal de 8Mhz era fácilmente visible, sin problemas debido a la carga de las sondas. No deberías preocuparte por el efecto de la sonda en el cristal.

El problema principal que encontré fue que mi controlador que debía impulsar el cristal no tenía sus fusibles configurados correctamente para utilizar el cristal externo. Una vez que quemé los fusibles para seleccionar el cristal externo, ¡los resonadores mostraron signos de vida!

Entonces, en realidad es importante asegurarse de que tu microcontrolador que está conectado al cristal haya sido configurado para utilizar el cristal, de lo contrario, no habrá nada que impulse la energía para hacerlo oscilar. Una vez que te hayas asegurado de que ese es el caso, entonces puedes comenzar a ver si hay problemas de PCB u otras trazas, problemas de conexión a tierra, pines incorrectos, etc.

Answer 3

Los componentes externos hacen que el oscilador parezca simétrico, pero hay un amplificador en el chip que no lo es. El pin del oscilador que está en el lado de salida tendrá una impedancia más baja y poner la sonda del osciloscopio allí no lo afectará tanto como sondear el pin de entrada.

Si está oscilando, la salida tendrá una amplitud mayor que la entrada; también puede que no sea una onda sinusoidal muy buena. El lado de entrada será más bajo y debería ser una onda sinusoidal (habiendo sido filtrada por el cristal).

Si no está oscilando, la entrada será más ruidosa y debería ser algo como la mitad de la tensión de alimentación. El pin de salida se verá más limpio y puede estar en VDD o en tierra. Algunas de estas características variarán con el diseño del chip (y la configuración).

Answer 4

Si tienes un receptor de comunicaciones sensible, como los utilizados en la radioafición, conectar un cable entre la entrada de antena del receptor y el otro extremo a una pulgada de distancia del circuito del oscilador, sin siquiera tocar el circuito, sintonizar el receptor alrededor de la frecuencia del cristal, deberías escuchar un batido. Y, justo en la frecuencia exacta.