El cristal de 32 kHz no funciona como se esperaba

Question

Llevo un par de días intentando resolver este problema, leyendo sobre el funcionamiento/configuración típica del cristal, y estoy perdido. Traté de buscar aquí, pero no encontré nada similar a mi problema, así que lo siento si me perdí mi solución en alguna parte.

Estoy intentando hacer funcionar un RTC a partir de un cristal externo utilizando un PIC, pero el cristal no oscila cuando espero que lo haga, y es oscilando en otras circunstancias, y no puedo encontrarle sentido. Sin embargo, no soy un EE, así que probablemente estoy siendo super ignorante.

El cristal: LFXTAL016178 . Estoy bastante seguro de que como no aparece nada, es un cristal resonante paralelo. Su capacitancia de carga es de 6 pF, lo cual he encontrado que es algo poco común? No estoy seguro.

El PIC: PIC24FJ128GB204 . He conectado el cristal como sugiere la hoja de datos, pero no proporciona mucha ayuda explícita en la selección de los condensadores de carga, así que busqué un poco y encontré otros recursos en línea para ayudarme.

El montaje: He visto en un par de fuentes que una buena regla general para los condensadores de carga es \$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}\$ añadiendo capacitancia parásita a \$C_1\$ y \$C_2\$ de entre 2 y 5 pF. Elegí lo que me pareció un valor medio de 6pF para ambos condensadores, y todavía no estoy seguro de lo mala que fue esa selección.

Aquí hay una imagen de mi esquema: Disposición:

Casos en los que no funciona:

• Tal como está en el esquema, con condensadores de carga de 6pF en ambos pines, no oscila. A no ser que oscile cada 10 minutos o algo así.
• Con los condensadores quitados, oscila muy lentamente, quizás aproximadamente 2,5 veces más lento de lo que debería. No he medido esta velocidad.
• Con condensadores extra de 6pF soldados encima para hacer condensadores de 12pF, no oscila.
• Con condensadores de 3 pF y una resistencia de 10 MOhm a través de los pines. (El reloj RTCC es errático).

Casos en los que hace trabajo:

• Cuando sondeo el pin SOSCI con un osciloscopio. En los tres primeros casos, tan pronto como toqué la sonda en el pin SOSCI, se puso en marcha y me dio una bonita y limpia onda sinusoidal. No lo hizo cuando toqué el pin SOSCO, O cuando usé condensadores de 3pF. Sé que no funcionaba de antemano por algunos LEDs que se supone que parpadean cada segundo, que sólo parpadeaban con la sonda conectada. (No lo sé todo sobre osciloscopios, sólo sé cómo manejarlos. La sonda dice 6MHz/1MOhm/95pF, y el osciloscopio dice 60 MHz/1 GS/s y 300V CAT II donde se conecta la sonda. Es un Tektronix TDS 2002 si eso significa algo para alguien).
• Cuando conecto una resistencia de 330 Ohm entre SOSCI y tierra. Es una de las dos resistencias que tengo a mano; la de 10k parecía que la hacía funcionar a la mitad de la frecuencia correcta.
• Con condensadores de 3 pF, pero a 14 kHz.

Aquí hay algunas frecuencias que he medido:

• (12 pF Caps) Frecuencia tocando la sonda a SOSCI: 32.7674 kHz
• (12 pF Caps) Salida de frecuencia por PIC con el pull-down de 330 ohmios en SOSCI: 32,764 kHz
• (12 pF Caps) Salida de frecuencia por PIC usando LPRC: 32.68 kHz
• (3 pF Caps) Salida de frecuencia por PIC: 14,08 kHz

Básicamente, lo que me gustaría saber es por qué oscila perfectamente a veces cuando uso una sonda de alcance, y cuál debería ser la solución correcta para que funcione como quiero.

EDIT: Acabo de encontrar este nota de aplicación, donde dice que debería haber seleccionado un 12,5 pF \$C_L\$ cristal para mi microcontrolador. Sin embargo, cualquier cristal en Mouser/Digikey con mi temperatura mínima de funcionamiento deseada (-55 \$^{\circ}\$ C) están agotados. Voy a conseguir uno que me baste por ahora, pero creo que mis preguntas siguen en pie.

EDIT2: Con un nuevo cristal de lujo ( \$C_L\$ =12,5 pF) y unos tapones estándar de 22 pF, funcionó a 32,7676 kHz. ¿Qué implica esto acerca de lo que salió mal con el viejo cristal ( \$C_L\$ =6 pF)?

Answer 1

Hay dos cosas principales:

3. No tienes suficiente capacidad de carga.

4. No entiendes la capacidad de carga.

Imagina que un lado de un cristal es conducido con una onda sinusoidal a la frecuencia del cristal. Esta señal es de baja impedancia. La capacitancia de carga es la capacitancia que se pone en el otro lado del cristal para causar un cambio de fase de 180°.

El desplazamiento de fase de estos cristales varía rápidamente en función de la frecuencia en la frecuencia de funcionamiento de los cristales. Dado que la fase en función de la frecuencia es muy pronunciada justo en la frecuencia de funcionamiento, esto es algo bueno para que el circuito de accionamiento se asegure de que el cristal funciona a la frecuencia prevista. Estos tipos de circuitos oscilan de forma óptima cuando el cristal cambia la fase de entrada en 180°. Como sólo un pequeño cambio de frecuencia lo estropea, la oscilación resultante está muy cerca de la frecuencia prevista del cristal.

Ahora vuelve a tu circuito. La gran pista es que las cosas funcionan cuando pones una sonda de alcance en el pin de entrada del oscilador. Lo que se hace es añadir capacitancia en el lado de salida del cristal. Aparentemente, con la configuración que tienes, la capacitancia adicional de la sonda de alcance hace que el cristal cambie la fase en la cantidad apropiada para que el sistema oscile. Si añades más capacitancia tú mismo sólo a la salida del cristal Si no se hace nada, se replica el efecto de la sonda de alcance y las cosas funcionarán. Prueba con otros 10 pF más o menos para empezar.

No utilices fórmulas que encuentres en el otro extremo de Internet sin entenderlas. La ecuación que muestras hace un montón de suposiciones, algunas de ellas no válidas. Desgraciadamente, hay mucha estupidez convencional en lo que respecta a los cristales.

El cristal por sí mismo es sólo un dispositivo de dos terminales y no "sabe" nada sobre la tierra de su circuito. En última instancia, la capacitancia de carga es lo que está a través de sus terminales. Por lo tanto, la estupidez convencional dice que hay que utilizar dos condensadores iguales en cada lado del cristal a tierra. Como estos están en serie, cada uno debe ser el doble de la capacitancia deseada. Sin embargo, cualquier capacitancia perdida a tierra que creas que hay en cada lado del cristal necesita ser restada de estas capacitancias.

El problema de la estupidez convencional es que ignora la impedancia de la salida del driver de cristal. Considere el caso extremo en el que es 0. En ese caso, la capacitancia añadida en el lado de entrada del cristal es completamente irrelevante, ya que está en paralelo con la impedancia 0 del driver. La carga en el cristal es entonces sólo la capacitancia en su salida.

Haz algunas cuentas. La impedancia de 6 pF a 32,8 kHz es de 810 kΩ. Ahora bien, la impedancia del controlador de cristal no es ciertamente cero, pero es muy probable que sea significativa en relación con 810 kΩ.

Considera lo que realmente hace cada una de las tapas. La de la entrada carga el driver de cristal. El propósito principal es atenuar algunos de los armónicos que salen del driver. Esto golpea menos al cristal, y hace menos probable que todo el sistema oscile en un armónico. Los cristales tienen características de transferencia complejas. Pueden tener algunas de las mismas características en los armónicos que en la frecuencia de funcionamiento prevista. Algunos cristales están cortados para permitir deliberadamente su uso en armónicos, lo que se denomina modo de sobretono en la industria.

La capacitancia en la salida es la verdadera capacitancia de "carga". Su reactancia actúa contra la del cristal para desfasar el resultado en la cantidad adecuada a la frecuencia correcta.

En tu caso, el cristal está clasificado para una carga de 6 pF, y eso es lo que pusiste en su salida. Eso debería haber funcionado. Supongo que lo que está ocurriendo es que la tapa en la entrada del cristal, realmente en la salida del controlador del cristal, también causó un cambio de fase que funcionó en contra de la tapa de carga. Sólo como prueba, prueba a quitar el cap en la entrada del cristal y dejar el 6 pF en su salida. Sería bueno ver la forma de onda en la entrada del cristal, pero incluso una sonda 10x podría cambiarla. Inténtalo de todas formas, pero asegúrate de que la sonda del osciloscopio está ajustada a la mayor impedancia, y por tanto a la menor capacitancia, posible.

Answer 2

Es probable que el fabricante de la MCU tenga la culpa. Hay absolutamente ninguna excusa por no diseñar un oscilador RTC de MCU moderno para que funcione de forma fiable con cualquier cristal típico de 32kHz disponible en el mercado.

Desafortunadamente, lo contrario es mucho más común, como ya has descubierto - en tu caso la hoja de datos del MCU no menciona que la capacitancia de carga de 6pF no funciona.

El problema de fondo es que se trata de un sistema de dos componentes de dos fabricantes diferentes. Uno de ellos habla silicio y el otro habla cuarzo, y nunca se han puesto de acuerdo adecuadamente cómo decir a los diseñadores cómo funcionan sus productos de forma fiable.

Así que, como has comprobado, el oscilador de cristal puede ser una trampa para los incautos. He visto cómo una importante línea de producción de automóviles se paralizaba por problemas de arranque del oscilador de cristal.

De todos modos, para llegar a su pregunta de POR QUÉ Hay cuatro parámetros importantes en juego:

1. Impedancia de salida del oscilador de la MCU. Esto varía en función de la frecuencia y a menudo se complica con los bits de configuración, como el "nivel de conducción" o el "nivel de potencia". Nunca he visto estos valores especificados/garantizados por ningún fabricante de MCU.

2. Impedancia de entrada de la red externa de condensadores-cristalinos "pi". Esto viene determinado principalmente por el condensador del lado de entrada, que a su vez viene determinado por la capacitancia de carga especificada por el fabricante del cristal.

3. Ganancia de tensión del oscilador del MCU (cargado) en resonancia. La ganancia del oscilador tiene que compensar la pérdida inducida por la ESR de la red Pi externa. Esta ganancia cambia significativamente sobre la temperatura, la tensión de alimentación y el lote de fabricación. Tengo nunca visto esta ganancia (y la impedancia de salida del driver) debidamente especificada/probada/garantizada por cualquier fabricante de CPU. Algunos fabricantes especifican la transconductancia \$G_m\$ en lugar de la ganancia de tensión.

4. Ganancia de tensión (realmente pérdida) del circuito externo Cap-Xtal-Cap "Pi" en resonancia. Esto viene determinado principalmente por el resistencia en serie equivalente (ESR) del cristal. El cristal que mencionas especifica ESR=50k. La resistencia también aumenta con el tiempo (ya que la humedad/impurezas se filtran en la caja del cristal) y también se ve afectada por la temperatura/tiempo de soldadura. (Las impurezas en la caja del cristal se evaporan y se asientan en el cuarzo) La ESR también puede variar significativamente entre los lotes de fabricación. 50k es una ESR bastante típica para un cristal de 32kHz - lo más bajo que he visto especificado a 32kHz para cristales de formato pequeño es 30k.

Para que cualquier oscilador funcione, la ganancia total de tensión, que es la producto de (3) y (4) debe ser >1. Además, el fase de la ganancia (sí, la ganancia es un número complejo) debe ser de 360 grados. Aproximadamente la mitad de la fase, 180 grados, la proporciona el amplificador inversor, y la "segunda inversión" la proporciona la red cap-xtal-cap.

He aquí una sencilla simulación en línea que puede ayudarte a tener una idea de cómo la ganancia, la impedancia de salida y los valores de los condensadores interactúan y afectan al arranque. Haz clic con el botón derecho del ratón en cualquier componente para cambiar su valor. (Nota - esta simulación utiliza un voltaje residual de condensador de 1mV para fingir el arranque, pero en la vida real el ruido en el amplificador es la fuente del arranque, como en este )

¿Qué ha pasado en su caso? Lo más probable es que el diseñador del oscilador de la MCU diseñara su etapa de salida para que funcionara de forma fiable con cristales cargados a 12,5pF, y resultó que con una carga de 6pF, simplemente no se cumplían los requisitos de ganancia de tensión o de fase. Como en la hoja de datos no se indica nada sobre los supuestos de diseño, voilá, problema para usted - y para muchos otros.

Vaya, ¿qué debe hacer un diseñador empotrado?

En primer lugar, tenga siempre presente que un oscilador de cristal marginal puede costar mucho dinero a su empresa.

En segundo lugar, a la luz de lo anterior, especialmente si usted carece de experiencia o si su proveedor de MCU no especifica los parámetros del cristal en la hoja de datos Su mejor inversión podría ser un oscilador externo de baja potencia de 32kHz.

En tercer lugar, asegúrate de utilizar un cristal con la ESR y la capacitancia especificadas por el fabricante de tu MCU. Si no ves ninguno en la hoja de datos, pide a tu proveedor una lista de números de pieza de cristal recomendados, o elige un MCU que lo tenga.

Cuarto, ¡prueba, prueba, prueba! En todas las tensiones y temperaturas . Observe cuánto tiempo tarda el arranque cronometrándolo en el firmware usando un reloj RC si es posible, y si las unidades de producción exceden la norma por, digamos, 2 veces, deje que su firmware de prueba establezca una bandera para que pueda ser notado en las pruebas de producción. De esta manera, las unidades de producción no pueden salir por la puerta con osciladores marginales sin que suene la alarma.

¿Qué hacen los ingenieros de verificación de producción con experiencia?

Evitan la falta general de información adecuada exigiendo un margen de seguridad de 10 veces entre "lo que funciona" y "lo que funciona de forma fiable". medir la ESR real, entonces añada una "resistencia de desventaja" adicional de 10x en serie con el cristal en la red de tapa-xtal-cap. Si el sistema de "ESR discapacitada" funciona sobre todas las combinaciones de tensión y temperatura entonces se supone que el margen de seguridad de 10x es suficiente para cubrir las variabilidades desconocidas tanto de la ESR como de la ganancia de la MCU. Esto se explica parcialmente en la figura 3 de esta nota de aplicación.

¿Qué debe hacer usted?

Si no puedes realizar la prueba anterior por cualquier motivo y quieres vender un producto en miles mejor invertir los centavos extra para un oscilador de 32kHz de venta en el mercado de un vendedor de osciladores que ha hecho todas esas pruebas por ti o cambiando a una MCU que especifica un cristal específico (o requisitos de cristal) en la hoja de datos del dispositivo.

Mientras que usted puede "arreglar" la situación seleccionar un cristal con menor resistencia interna y/o jugando con valores de condensadores diferentes/asimétricos, tu solución podría seguir siendo marginal, por las razones explicadas anteriormente.

TL;DR:

Los osciladores de cristal pueden costar a su empresa mucho tiempo y dinero. Utilice un oscilador externo si puede, o realice la prueba de "ESR discapacitada" descrita anteriormente en todos los rangos de tensión y temperatura.

Finalmente, asegúrese de utilizar condensadores NPO para la estabilidad de la temperatura.

Answer 3

Los dos tapones y el cristal funcionan como un cambio de fase de 180 grados. Las magnitudes de las dos tapas (relación) definirán la relación de transferencia de tensión. 6Pf suena un poco pequeño, la cuestión es ¿cuál es el punto de diseño de la carga paralela del cristal? No querrás alejarte mucho de este valor. Normalmente tengo 27pf en cada lado.

También veo un nodo si el cristal atado directamente a la salida del procesador. Esta salida puede ser de baja Z lo que puede sobre conducir un cristal. Recuerde que la especificación de manejo de estos cristales de reloj es pequeña, muy fácil de sobre manejar. Una serie R de 100K puede ser usada para reducir el manejo del cristal.

Asegúrese de que el procesador tiene una resistencia de polarización interna de 1 a 10 megas de la salida a la entrada. Has mencionado que empieza a oscilar cuando se toca con una sonda de alcance. Eso podría ser un problema de polarización de CC (sonda de alcance de 10Meg supongo) o probablemente la tapa de la sonda ajustando la relación de transferencia del circuito sintonizado.

Esté realmente limpio (sin flujo disperso) y cables realmente cortos. Se trata de un verdadero circuito Hi Z.

Bob K.

También: Las sondas "estándar" que uso son x 100 ya que proporcionan la menor cantidad de capacitancia, recuerdo que alrededor de 1,5pf. Usar x 10 es difícil en este circuito, x 1 es inútil. Usa x 100 y sube la ganancia vertical del osciloscopio, haz que el frontal del osciloscopio haga su trabajo. Las sondas X 1 son casi inútiles para alta Z o alta velocidad. Te encantará el x 100 haciendo trabajos digitales ya que las corrientes de clip de GND se reducen en un factor de 10. Pruébalo.

Answer 4

A 32KHz, no son los típicos cristales de corte XT/AT, sino que son cristales de reloj digital, diminutos "diapasones" de unos pocos mm de longitud.

Como responde al tacto, la polarización de CC proporcionada por el PIC puede ser errónea. Prueba a añadir una resistencia de gran valor conectada entre los pines del oscilador (10Meg, incluso 22Meg.)

Es posible que tu cristal se dañe por la sobrecarga. (Una referencia sugiere incluir más de 100K de resistencia entre el pin SOSC y el cristal).

Para obtener mucha información, lea las hojas de especificaciones de los chips más antiguos con osciladores que utilizan estos cristales de diapasón de baja frecuencia...

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

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

PS Me doy cuenta de que la mina de oro electrónica actualmente tiene barato "cristales de reloj" diapasones con frecuencias inusuales, no 32KHz

Answer 5

Según mi experiencia y la de la mayoría de OEM's como TI, recomiendan 1MOhm de retroalimentación externa, no 10M que ya está dentro. Los resonadores de tenedor de sintonía tienen alta ESR y tienen umbrales de daño uW mucho más bajos que el modo XT o los cristales de corte AT.

.advertencia. Si usted ignora Mfg o OEM App Notes puede ser dañado.

Se trata de un circuito resonante en paralelo. La resonancia es de alta impedancia con un cambio de fase de 180 grados que después de la inversión da una retroalimentación positiva. Internamente hay una retroalimentación de 10M ohmios de alta R que en DC sirve para auto polarizar la entrada en Vdd/2 para dar una onda cuadrada que tiene un voltaje DC promedio de Vdd/2.

Si la DC de entrada no está cerca de este valor, Vdd/2 donde opera como un amplificador lineal inversor, la salida se quedará atascada en "1" o "0" . Yo esperaría 330 ohmios entre la SOSCI de entrada y Vss o Vdd para cambiar el sesgo lo suficiente y detener el reloj. Este contradice sus pruebas con 330 Ohm a 0V y sólo tiene sentido si invirtió In y Out, ya que sólo la salida SOSCO, puede conducir esto.

La capacitancia móvil es de sólo unos 3,5 fF (fentofaradios) con una inductancia de unos 35kH y una ESR de 35~70 kOhms. Esto define los parámetros óptimos del resonador para oscilar a 32768 Hz. El Q es >10k.

Si lees la nota de la aplicación de Microchip, recomienda; una de ellas es http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• añadir una retroalimentación externa de 1M para reducir los errores potenciales de la contaminación por fugas en la superficie y los errores de polarización
• añadir la serie R para evitar la sobrecarga de uW, por ejemplo 10k y probar esto para el margen con la falta de oscilación margen Rs/(sRs+ESR) > 2 = marginal, 3= mejor, 5= mejor Esto asegura que hay suficiente ganancia de bucle para oscilar.
• si usas tapones desiguales, haz el tapón de entrada más pequeño para permitir la capacitancia de entrada.
• limpiar todas las almohadillas de fundente
• considere una isla de guardia alrededor de todo el cct y luego una señal de guardia perimetral o gnd. para reducir la interferencia de los dedos o la diafonía.

Su único gran defecto de diseño fue el relleno de cobre alrededor de todas las pistas añade demasiada capacitancia y reduce la retroalimentación de cambio de fase de 180 hacia 90 grados donde si la ganancia del bucle es insuficiente, no oscilará o forzará una resonancia más baja. Esta disposición le obliga a elegir un xtal que requiere mayores tapas de carga para la estabilidad para satisfacer los criterios de Barkhausen.

Estos espacios de pista deben ser iguales o no menores que los espacios entre las almohadillas del CI, ya que la C gnd dispersa es inversa al espacio.

Aunque el consejo de Microchip mejora el margen, no se anticipó a los usuarios que utilizan espacios de relleno de cobre agresivos < 0,1 mm.

La sonda 1:1 tiene demasiada inductancia de tierra y capacitancia coaxial y 1M también alterará la polarización de CC de entrada.