El cristal de 32 kHz no funciona como se esperaba

He estado tratando de resolver este problema durante un par de días, leyendo sobre la operación / configuración de cristal típica, y estoy perdido. Intenté buscar aquí, pero no encontré nada similar a mi problema, así que lamento si me perdí mi solución en alguna parte.

Estoy tratando de ejecutar un RTC de un cristal externo usando un PIC, pero el cristal no está oscilando cuando lo espero, y está oscilando en otras circunstancias, y no puedo entenderlo. Sin embargo, no soy un EE, así que probablemente solo estoy siendo súper ignorante.

El cristal: LFXTAL016178 . Estoy bastante seguro de que debido a que nada está en la lista, es un cristal resonante paralelo. Su capacidad de carga es de 6 pF, lo que he encontrado que es 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 condensadores de carga, así que busqué un poco y encontré otros recursos en línea para ayudarme allí.

La configuración: vi de un par de fuentes que una buena regla general para los condensadores de carga es , agregando capacitancia parásita aC1yC2de entre 2 y 5 pF. Elegí lo que pensé que era un valor medio de 6pF para ambos condensadores, y todavía no estoy seguro de cuán mala fue esa selección.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

Aquí hay una foto de mi esquema: Diseño:

Casos donde no funciona:

• Como está en el esquema, con condensadores de carga de 6pF en ambos pines, no oscila. A menos que oscile cada 10 minutos o algo así.
• Con los condensadores retirados, oscila extremadamente lento, tal vez aproximadamente 2.5 veces más lento de lo que debería. No medí esta velocidad.
• Con condensadores adicionales de 6pF soldados en la parte superior 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).

Los casos en que se hace el trabajo:

• Cuando sondeo el pin SOSCI con un osciloscopio. En los primeros tres casos anteriores, tan pronto como toqué la sonda con el pin SOSCI, se puso en marcha y me dio una onda sinusoidal limpia y agradable. No hizo esto cuando toqué el pin SOSCO, O cuando usé condensadores de 3pF. Sé que no estaba funcionando de antemano debido a que algunos LED parpadean cada segundo, que solo parpadeaban con la sonda conectada. (No sé todo acerca de los osciloscopios, solo sé cómo operarlos. La sonda dice 6MHz / 1MOhm / 95pF, y el alcance dice 60 MHz / 1 GS / sy 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 ohmios entre SOSCI y tierra. Es una de las dos resistencias que tengo a mano; El 10k parecía que lo hacía funcionar a aproximadamente 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) Sonda de contacto de frecuencia para 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 yo quiero.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

El fabricante de MCU probablemente tenga la culpa. No hay absolutamente ninguna excusa para no diseñar un oscilador MCU RTC moderno para funcionar de manera confiable con cualquier cristal de 32 kHz típico disponible comercialmente.

Desafortunadamente, lo opuesto es mucho más común, como ya lo ha descubierto: en su caso, la hoja de datos de MCU no menciona que la capacidad de carga de 6pF no funciona.

El problema raíz es que se trata de un sistema de dos componentes , fabricado por dos fabricantes diferentes. Uno de ellos habla silicio y el otro habla cuarzo, y nunca acordaron adecuadamente cómo decirles a los diseñadores cómo sus productos funcionan juntos de manera confiable.

Entonces, como has descubierto, el oscilador de cristal puede ser una trampa para los incansables. ¡He visto una gran línea de producción automotriz paralizada debido a 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 MCU. Esto varía con la frecuencia y a menudo se complica por bits de configuración como "nivel de unidad" o "nivel de potencia". Nunca he visto estos valores especificados / garantizados por ningún fabricante de MCU.

2. Impedancia de entrada de la red externa capacitor-crystal-capacitor "pi". Esto está determinado principalmente por el condensador en el lado de entrada, que a su vez está determinado por la capacidad de carga especificada por el fabricante de cristales.

3. $G_m$

4. Ganancia de voltaje (en realidad pérdida) del circuito externo Cap-Xtal-Cap "Pi" en resonancia. Esto está determinado principalmente por la resistencia en serie equivalente interna (ESR) del cristal. El cristal que mencionó especifica ESR = 50k. La resistencia también aumenta con el tiempo (a medida que la humedad / impurezas se filtran a la caja de cristal) y también se ve afectada por la temperatura / tiempo de soldadura. (Las impurezas en la caja de cristal se evaporan y se depositan en el cuarzo) La ESR también puede variar significativamente entre lotes de fabricación. 50k es un ESR bastante típico para un cristal de 32kHz: el más bajo que he visto especificado a 32kHz para cristales de factor de forma pequeño es 30k.

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

Aquí hay una simulación en línea simple que puede ayudarlo a tener una idea de cómo la ganancia, la impedancia de salida y los valores del capacitor interactúan y afectan el inicio. Haga clic derecho en cualquier componente para cambiar su valor. (Nota: esta simulación utiliza un voltaje de condensador residual de 1 mV para el arranque falso, pero en la vida real el ruido en el amplificador es la fuente de arranque, como en este caso )

Entonces, ¿qué pasó en tu caso? Lo más probable es que el diseñador del oscilador MCU diseñó su etapa de salida para funcionar de manera confiable con cristales cargados de 12.5pF, y resultó que con una carga de 6pF, simplemente no se cumplieron los requisitos de ganancia de voltaje o fase. Dado que nada de los supuestos de diseño se establece en la hoja de datos, voila, problema para usted y muchos otros.

Wow, ¿qué debe hacer un diseñador integrado?

Primero, tenga siempre en cuenta que un oscilador de cristal marginal puede costarle mucho dinero a su negocio.

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

En tercer lugar, asegúrese de utilizar un cristal con ESR y la capacidad especificada por su fabricante de MCU. Si no ve ninguno en la hoja de datos, solicite a su proveedor una lista de los números de piezas de cristal recomendados, o elija un MCU que sí lo haga.

Cuarto, prueba, prueba, prueba! Sobre todos los voltajes y temperaturas . Tenga en cuenta cuánto tiempo tarda el inicio cronometrándolo en el firmware utilizando un reloj RC si es posible, y si las unidades de producción exceden la norma, digamos 2x, deje que su firmware de prueba establezca una bandera para que se note en las pruebas de producción. De esa forma, las unidades de producción no pueden salir con osciladores marginales sin que suenen las alarmas.

¿Qué hacen los ingenieros de verificación de producción experimentados?

Trabajan en torno a la falta general de información adecuada al requerir un margen de seguridad de 10x entre "lo que funciona" y "lo que funciona de manera confiable": miden la ESR real, luego agregan una "resistencia adicional" adicional 10x adicional en serie con el cristal en el red cap-xtal-cap. Si el sistema de "ESR para discapacitados" funciona sobre todas las combinaciones de voltaje y temperatura , entonces se supone que el margen de seguridad 10x es suficiente para cubrir las variabilidades desconocidas en la ganancia de ESR y MCU. Esto se explica parcialmente en la figura 3 de esta nota de aplicación.

¿Qué deberías hacer?

Si no puede realizar la prueba anterior por algún motivo y desea vender un producto en miles, es mejor invertir los centavos adicionales para un oscilador comercial de 32 kHz de un proveedor de osciladores que haya realizado todas esas pruebas para usted , o cambiando a una MCU que especifica un cristal específico (o requisitos de cristal) en la hoja de datos del dispositivo.

Si bien puede "arreglar" la situación seleccionando un cristal con menor resistencia interna y / o jugando con valores de condensadores diferentes / asimétricos, su solución aún podría ser marginal, por las razones explicadas anteriormente.

TL; DR:

Los osciladores de cristal pueden costarle a su negocio mucho tiempo y dinero. Use un oscilador externo si puede, o realice la prueba de "ESR para discapacitados" como se describió anteriormente en todos los rangos de voltaje y temperatura.

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

Hay dos cosas principales que suceden:

1. No tienes suficiente capacidad de carga.

2. No entiendes la capacidad de carga.

Imagine que un lado de un cristal es impulsado con una onda sinusoidal a la frecuencia del cristal. Esta señal es de baja impedancia. La capacidad de carga es la capacidad que pones en el otro lado del cristal para causar un cambio de fase de 180 °.

El cambio de fase de tales 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 empinada justo en la frecuencia de funcionamiento, es bueno que el circuito de activación lo utilice para asegurarse de que el cristal esté funcionando a la frecuencia deseada. Estos tipos de circuitos oscilan de manera óptima cuando el cristal desplaza la fase de entrada 180 °. Dado que solo un pequeño cambio de frecuencia lo arruina, la oscilación resultante está muy cerca de la frecuencia prevista del cristal.

Ahora de vuelta a tu circuito. La gran pista es que las cosas funcionan cuando coloca una sonda de alcance en el pin de entrada del oscilador. Lo que está haciendo es agregar capacitancia en el lado de salida del cristal. Aparentemente, con la configuración que tiene, la capacidad adicional de la sonda de alcance hace que el cristal cambie la fase la cantidad apropiada para que el sistema oscile. Si agrega más capacidad solo a la salida de cristal , replica el efecto de la sonda de alcance y las cosas funcionarán. Pruebe otros 10 pF más o menos para empezar.

No use fórmulas que encuentre en el otro extremo de Internet sin comprenderlas. La ecuación que muestra hace un montón de suposiciones, algunas de ellas no válidas. Desafortunadamente, hay mucha estupidez convencional con respecto a los cristales.

El cristal por sí solo es 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 hay en sus terminales. La estupidez convencional, por lo tanto, dice que use dos condensadores iguales en cada lado del cristal a tierra. Como estos están en serie, cada uno debe ser el doble de la capacidad deseada. Sin embargo, cualquier capacitancia parásita a tierra que creas que hay a cada lado del cristal debe sustraerse de estas capacitancias.

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

Haz un poco de matemática. La impedancia de 6 pF a 32.8 kHz es 810 kΩ. Ahora la impedancia del controlador de cristal ciertamente no es cero, sino que es bastante significativa en relación con 810 kΩ.

Considere lo que realmente hace cada una de las tapas. El de la entrada carga el controlador de cristal. El objetivo principal de esto es atenuar algunos de los armónicos que salen del controlador. Esto golpea menos en el cristal y hace que sea 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 armónicos que en la frecuencia de funcionamiento prevista. Algunos cristales se cortan para permitir deliberadamente su uso en armónicos, llamado modo de sobretono en la industria.

La capacitancia en la salida es la verdadera capacitancia de "carga". Su reactancia funciona contra la del cristal para cambiar de fase el resultado la cantidad correcta a la frecuencia correcta.

En su caso, el cristal tiene una capacidad de carga de 6 pF, y eso es lo que pone en su salida. Eso debería haber funcionado. Supongo que lo que está sucediendo es que la tapa en la entrada del cristal, realmente en la salida del controlador de cristal, también causó un cambio de fase que funcionó en contra de la tapa de carga. Solo como prueba, intente quitar la tapa de la entrada de cristal y deje los 6 pF en su salida. Sería bueno ver la forma de onda en la entrada de cristal, pero incluso una sonda de alcance 10x podría cambiarla. Pruébelo de todos modos, pero asegúrese de que la sonda de alcance esté configurada con la impedancia más alta, por lo tanto, la capacitancia más baja posible.

Las dos tapas 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 voltaje. 6Pf suena un poco pequeño, el problema es ¿cuál es el punto de diseño de carga paralela de cristal? No quieres moverte lejos de este valor. Normalmente tengo 27pf en cada lado.

También veo un sode si el cristal se vincula directamente a la salida del procesador. Esta salida puede ser baja Z, lo que puede conducir a un cristal. Recuerde que esta unidad de especificaciones de estos cristales de reloj es pequeña, muy fácil de sobrecargar. Se puede usar una serie R de 100K para reducir la unidad de cristal.

Asegúrese de que el procesador tenga una resistencia de polarización interna de 1 a 10 Meg desde la salida a la entrada. Usted mencionó que comienza a oscilar cuando se toca con un problema de alcance. Eso podría ser un problema de polarización de CC (sonda de alcance de 10 Meg, supongo) o probablemente la tapa de la sonda que ajusta la relación de transferencia del circuito sintonizado.

Sea realmente limpio (sin flujo perdido) y cables realmente cortos. Es un verdadero circuito Hi Z.

Bob K.

Además: las sondas "estándar" que uso son x 100, ya que proporcionan la menor cantidad de capacitancia, recuerdo aproximadamente 1.5pf. Usar x 10 es difícil en este circuito, x 1 es inútil. Ues x 100 y aumenta la ganancia vertical del alcance, hace que el extremo frontal del alcance haga su trabajo. Las sondas X 1 son casi inútiles para alta Z o alta velocidad. Le encantará el x 100 haciendo trabajos digitales ya que las corrientes de clip GND disminuyen en un factor de 10. Pruébelo.

A 32KHz, estos no son los típicos cristales de corte XT / AT, sino cristales de reloj digital, pequeños "diapasones" de unos pocos mm de largo.

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

Es posible que su cristal se dañe por sobremarcha. (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 chips más antiguos con osciladores utilizando 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

PD: Noté que la mina de oro electrónica actualmente tiene diapasones de "cristales de reloj" baratos con frecuencias inusuales, no 32KHz

En mi experiencia y la mayoría de los OEM de TI, recomiendo comentarios externos de 1MOhm, no 10M que ya están dentro. Los resonadores de diapasón tienen ESR alto y tienen umbrales de daño uW mucho más bajos que el modo XT o los cristales de corte AT.

.advertencia. Si ignora Mfg u OEM App Notes, puede dañarse.

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

Si la entrada DC no está cerca de este valor, Vdd / 2, donde funciona como un amplificador inversor lineal, la salida se atascará en "1" o "0". Esperaría 330 ohmios entre el SOSCI de entrada y Vss o Vdd para cambiar el sesgo lo suficiente y detener el reloj. Esto contradice sus pruebas con 330 Ohm a 0V y solo tiene sentido si invierte In y Out, ya que solo la salida SOSCO puede impulsar esto.

La capacitancia motriz es solo de aproximadamente 3.5 fF (fentofarads) con una inductancia de aproximadamente 35kH y ESR de 35 ~ 70 kOhms. Esto define los parámetros óptimos del resonador para oscilar a 32768 Hz. La Q es> 10k.

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

• agregue retroalimentación externa de 1M para reducir los posibles errores de la contaminación por fugas en la superficie y el sesgo erróneo
• agregue la serie R para evitar una sobremarcha uW, por ejemplo, 10k y pruebe esto para margen con falla para oscilar margen Rs / (sRs + ESR)> 2 = marginal, 3 = mejor, 5 = mejor Esto asegura que haya suficiente ganancia de bucle para oscilar.
• Si usa tapas desiguales, reduzca la tapa de entrada para permitir la capacidad de entrada.
• limpiar todas las almohadillas de fundente
• considere una isla de brecha de protección alrededor del cct completo y luego una señal de protección perimetral o gnd. para reducir la interferencia de los dedos o la diafonía.

Su único defecto de diseño importante fue que el relleno de cobre alrededor de todas las pistas agrega demasiada capacitancia y reduce la retroalimentación de cambio de fase de 180 a 90 grados, donde si la ganancia del bucle es insuficiente, no oscilará ni forzará una resonancia más baja. Este diseño lo obliga a elegir un xtal que requiere tapas de carga más grandes para la estabilidad para satisfacer los criterios de Barkhausen.

Estos espacios de seguimiento deben ser iguales o no menores que los espacios entre las almohadillas de CI, ya que el Gnd de parásito inverso es inverso al espacio.

Aunque el consejo de Microchip mejora el margen, no anticiparon a los usuarios que usan espacios de relleno de cobre agresivos <0.1 mm.

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