Kristal 32 kHz tidak beroperasi seperti yang diharapkan

Saya telah mencoba untuk memecahkan masalah ini selama beberapa hari sekarang, membaca tentang operasi / konfigurasi kristal yang khas, dan saya bingung. Saya mencoba mencari di sini tetapi tidak menemukan sesuatu yang mirip dengan masalah saya, jadi saya minta maaf jika saya melewatkan solusi saya di suatu tempat.

Saya mencoba untuk menjalankan RTC off dari kristal eksternal menggunakan PIC, tetapi kristal tidak berosilasi ketika saya berharap untuk, dan yang berosilasi dalam keadaan lain, dan aku tidak bisa masuk akal itu. Saya bukan EE, jadi saya mungkin hanya menjadi sangat bodoh.

Kristal: LFXTAL016178 . Saya cukup yakin bahwa karena tidak ada yang terdaftar, itu adalah kristal resonan paralel. Kapasitansi bebannya adalah 6 pF, yang menurut saya tidak biasa? Saya tidak yakin.

PIC: PIC24FJ128GB204 . Saya telah menghubungkan kristal seperti yang disarankan lembar data, tetapi tidak memberikan banyak bantuan eksplisit dalam memilih kapasitor beban, jadi saya melakukan pencarian dan menemukan sumber daya lain online untuk membantu saya di sana.

Setup: Saya melihat dari beberapa sumber bahwa aturan praktis yang baik untuk memuat kapasitor adalah , menambahkan kapasitansi liar keC1danC2antara 2 dan 5 pF. Saya memilih nilai tengah 6pF untuk kedua kapasitor, dan saya masih tidak yakin seberapa buruk pilihan itu.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

Berikut adalah gambar skema saya: Tata Letak:

Kasus yang tidak berfungsi:

• Seperti pada skema, dengan kapasitor beban 6pF pada kedua pin, tidak berosilasi. Kecuali itu berosilasi setiap 10 menit atau sesuatu.
• Dengan kapasitor dilepas, ia berosilasi sangat lambat, mungkin sekitar 2,5 kali lebih lambat dari yang seharusnya. Saya tidak mengukur kecepatan ini.
• Dengan kapasitor 6pF tambahan yang disolder di atas untuk membuat kapasitor 12pF, kapasitor tidak berosilasi.
• Dengan kapasitor 3 pF dan resistor 10 MOhm melintasi pin. (Jam RTCC tidak menentu.)

Kasus di mana tidak bekerja:

• Ketika saya menyelidiki pin SOSCI dengan osiloskop. Dalam tiga kasus pertama di atas, segera setelah saya menyentuh probe ke pin SOSCI, itu dimulai dan memberi saya gelombang sinus bersih yang bagus. Itu tidak melakukan ini ketika saya menyentuh pin SOSCO, ATAU ketika saya menggunakan kapasitor 3pF. Saya tahu itu tidak berfungsi sebelumnya karena beberapa LED yang seharusnya berkedip setiap detik, yang hanya berkedip dengan probe terhubung. (Saya tidak tahu segalanya tentang osiloskop, saya hanya tahu cara mengoperasikannya. Probe mengatakan 6MHz / 1MOhm / 95pF, dan ruang lingkupnya mengatakan 60 MHz / 1 GS / s dan 300V CAT II di mana probe terhubung. Ini adalah Tektronix TDS 2002 jika itu ada artinya bagi siapa pun.)
• Ketika saya menghubungkan resistor 330 Ohm antara SOSCI dan ground. Itu salah satu dari dua resistor yang saya miliki; 10k tampak seperti itu membuatnya beroperasi pada sekitar setengah frekuensi yang tepat.
• Dengan kapasitor 3 pF, tetapi pada 14 kHz.

Berikut adalah beberapa frekuensi yang saya ukur:

• (Caps 12 pF) Probe menyentuh frekuensi ke SOSCI: 32.7674 kHz
• (Caps 12 pF) Output frekuensi oleh PIC dengan pull-down 330-ohm di SOSCI: 32.764 kHz
• (12 pF Caps) Frekuensi keluaran oleh PIC menggunakan LPRC: 32.68 kHz
• (3 pF Caps) Output frekuensi oleh PIC: 14,08 kHz

Pada dasarnya, apa yang ingin saya ketahui adalah mengapa kadang-kadang berosilasi sempurna ketika saya menggunakan probe lingkup, dan apa solusi yang tepat untuk membuatnya bekerja seperti yang saya inginkan.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

Pembuat MCU kemungkinan bersalah. Sama sekali tidak ada alasan untuk tidak merancang osilator MCU RTC modern untuk berfungsi dengan andal dengan kristal 32kHz khas yang tersedia secara komersial.

Sayangnya, kebalikannya jauh lebih umum, seperti yang telah Anda temukan - dalam kasus Anda lembar data MCU gagal menyebutkan bahwa kapasitansi beban 6pF tidak berfungsi.

Masalah mendasarnya adalah Anda berurusan dengan sistem dua komponen , dibuat oleh dua produsen berbeda. Salah satu dari mereka berbicara silikon dan yang lain berbicara kuarsa, dan mereka tidak pernah setuju bagaimana memberitahu para perancang bagaimana produk mereka bekerja sama secara andal.

Jadi, seperti yang sudah Anda ketahui, osilator kristal bisa menjadi jebakan bagi yang tidak letih. Saya telah melihat jalur produksi otomotif besar terhenti karena masalah startup osilator kristal!

Bagaimanapun, untuk sampai ke pertanyaan Anda MENGAPA , ada empat parameter penting yang dipertaruhkan:

1. Impedansi keluaran osilator MCU. Ini bervariasi dari frekuensi dan sering dipersulit oleh bit konfigurasi seperti "level drive" atau "level daya". Saya belum pernah melihat nilai-nilai ini ditentukan / dijamin oleh pembuat MCU.

2. Impedansi input dari jaringan "pi" kapasitor-kristal-kapasitor eksternal. Ini terutama ditentukan oleh kapasitor pada sisi input, yang pada gilirannya ditentukan oleh kapasitansi beban yang ditentukan oleh pembuat kristal.

3. $G_m$

4. Gain tegangan (sebenarnya rugi) dari sirkuit Cap-Xtal-Cap "Pi" eksternal pada resonansi. Ini terutama ditentukan oleh resistansi seri ekuivalen internal (ESR) kristal. Kristal yang Anda sebutkan menentukan ESR = 50k. Resistansi juga meningkat seiring bertambahnya usia (karena kelembapan / pengotor bocor ke dalam wadah kristal) dan juga dipengaruhi oleh suhu / waktu penyolderan. (Kotoran dalam kasing kristal menguap & mengendap pada kuarsa) ESR juga dapat bervariasi secara signifikan antara batch produksi. 50k adalah ESR yang cukup khas untuk kristal 32kHz - terendah yang saya lihat ditentukan pada 32kHz untuk kristal faktor bentuk kecil adalah 30k.

Agar setiap osilator berfungsi, kenaikan tegangan total, yang merupakan produk dari (3) dan (4) harus> 1. Selain itu, fase gain (ya, gain adalah bilangan kompleks) harus 360 derajat. Sekitar setengah dari fase, 180 derajat, disediakan oleh penguat pembalik, dan "inversi kedua" disediakan oleh jaringan cap-xtal-cap.

Berikut ini adalah simulasi online sederhana yang dapat membantu Anda merasakan bagaimana keuntungan, impedansi keluaran, dan nilai kapasitor berinteraksi dan memengaruhi startup. Klik kanan komponen apa pun untuk mengubah nilainya. (Catatan - simulasi ini menggunakan tegangan sisa kapasitor 1mV untuk startup palsu, tetapi dalam kehidupan nyata kebisingan dalam amplifier adalah sumber dari startup, seperti yang ini )

Jadi apa yang terjadi dalam kasusmu? Kemungkinan besar, perancang osilator MCU merancang tahap outputnya agar berfungsi dengan andal dengan kristal yang dimuat 12,5pF, dan ternyata pada pemuatan 6pF, baik penambahan tegangan atau persyaratan fase tidak terpenuhi. Karena tidak ada tentang asumsi desain yang dinyatakan dalam lembar data, voila, masalah untuk Anda - dan banyak lainnya.

Wow, apa yang harus dilakukan oleh desainer yang disematkan?

Pertama, selalu menyadari bahwa osilator kristal marjinal dapat menghabiskan banyak uang untuk bisnis Anda.

Kedua, mengingat hal-hal di atas, terutama jika Anda kurang pengalaman atau jika vendor MCU Anda tidak menentukan parameter kristal dalam datasheet , investasi terbaik Anda bisa menjadi osilator 32kHz daya rendah eksternal.

Ketiga, pastikan Anda menggunakan kristal dengan ESR dan kapasitansi yang ditentukan oleh pembuat MCU Anda. Jika Anda tidak melihat apa pun di lembar data, mintalah pemasok Anda untuk daftar nomor komponen kristal yang direkomendasikan, atau pilih MCU yang melakukannya.

Keempat, tes, tes, tes! Atas semua tegangan dan suhu . Catat berapa lama waktu yang diperlukan untuk memulai dengan menentukan waktu dalam firmware menggunakan jam RC jika memungkinkan, dan jika unit produksi melebihi norma dengan, katakanlah 2x, biarkan firmware pengujian Anda menetapkan tanda sehingga dapat diketahui dalam pengujian produksi. Dengan begitu, unit produksi tidak dapat keluar dari pintu dengan osilator marjinal tanpa bunyi bel alarm.

Apa yang dilakukan oleh teknisi verifikasi produksi yang berpengalaman?

Mereka bekerja di sekitar kurangnya informasi yang tepat dengan memerlukan margin keamanan 10x antara "apa yang berhasil" dan "apa yang bekerja dengan andal" - mereka mengukur ESR yang sebenarnya, kemudian menambahkan 10x tambahan "hambatan cacat" secara seri dengan kristal ke dalam jaringan cap-xtal-cap. Jika sistem "ESR cacat" bekerja pada semua kombinasi tegangan dan suhu , maka diasumsikan bahwa margin keselamatan 10x cukup untuk menutupi variabilitas yang tidak diketahui dalam gain ESR dan MCU. Ini sebagian dijelaskan pada gambar 3 dari catatan aplikasi ini.

Apa yang harus kamu lakukan?

Jika Anda tidak dapat melakukan tes di atas karena alasan apa pun dan ingin menjual produk dalam ribuan, Anda tentu lebih baik menginvestasikan uang ekstra untuk osilator 32kHz yang tersedia dari vendor osilator yang telah melakukan semua pengujian untuk Anda , atau dengan beralih ke MCU yang menentukan kristal tertentu (atau persyaratan kristal) di lembar data perangkat.

Meskipun Anda dapat "memperbaiki" situasi dengan memilih kristal dengan resistansi internal yang lebih rendah dan / atau dengan bermain dengan nilai kapasitor yang berbeda / asimetris, solusi Anda mungkin masih bersifat marjinal, karena alasan yang dijelaskan di atas.

TL; DR:

Osilator kristal dapat menghabiskan banyak waktu dan uang untuk bisnis Anda. Gunakan osilator eksternal jika Anda bisa, atau lakukan tes "cacat ESR" seperti dijelaskan di atas pada semua rentang tegangan dan suhu.

Akhirnya, pastikan untuk menggunakan kapasitor NPO untuk stabilitas suhu.

Ada dua hal utama yang terjadi:

1. Anda tidak memiliki cukup kapasitansi beban.

2. Anda tidak mengerti muatan kapasitansi.

Bayangkan satu sisi kristal didorong oleh gelombang sinus pada frekuensi kristal. Sinyal ini adalah impedansi rendah. Kapasitansi beban adalah kapasitansi yang Anda letakkan di sisi lain kristal untuk menyebabkan pergeseran fasa 180 °.

Pergeseran fase kristal tersebut bervariasi dengan cepat sebagai fungsi frekuensi pada frekuensi operasi kristal. Karena fase sebagai fungsi frekuensi sangat curam tepat pada frekuensi operasi, ini adalah hal yang baik untuk digunakan sirkuit penggerak untuk memastikan kristal beroperasi pada frekuensi yang diinginkan. Jenis-jenis sirkuit berosilasi secara optimal ketika kristal menggeser fase input sebesar 180 °. Karena hanya sedikit perubahan frekuensi yang mengacaukannya, osilasi yang dihasilkan sangat dekat dengan frekuensi yang dimaksudkan kristal.

Sekarang kembali ke sirkuit Anda. Petunjuk besarnya adalah bahwa hal-hal bekerja ketika Anda meletakkan probe lingkup pada pin input osilator. Apa yang dilakukan adalah menambahkan kapasitansi pada sisi output kristal. Rupanya, dengan setup yang Anda miliki, kapasitansi probe lingkup tambahan menyebabkan kristal untuk menggeser fase jumlah yang sesuai untuk sistem berosilasi. Jika Anda menambahkan lebih banyak kapasitansi sendiri ke output kristal saja , Anda meniru efek probe lingkup dan hal-hal akan bekerja. Coba 10 pF lainnya untuk pemula.

Jangan gunakan formula yang Anda temukan di ujung internet tanpa memahaminya. Persamaan yang Anda tampilkan menghasilkan banyak asumsi, beberapa di antaranya tidak valid. Sayangnya ada banyak kebodohan konvensional di luar sana mengenai kristal.

Kristal itu sendiri hanyalah perangkat dua terminal dan tidak "tahu" apa pun tentang rangkaian sirkuit Anda. Pada akhirnya, kapasitansi beban adalah apa yang ada di terminalnya. Oleh karena itu kebodohan konvensional mengatakan untuk menggunakan dua kapasitor yang sama di setiap sisi kristal ke tanah. Karena ini adalah seri, masing-masing harus dua kali kapasitansi yang diinginkan. Namun, apa pun kapasitansi liar ke tanah Anda pikir ada di setiap sisi kristal perlu dikurangi dari kapasitansi ini.

Masalah dengan kebodohan konvensional adalah bahwa ia mengabaikan impedansi output driver kristal. Pertimbangkan kasus ekstrim di mana itu adalah 0. Dalam kasus itu, kapasitansi yang ditambahkan pada sisi input kristal sama sekali tidak relevan, karena paralel dengan impedansi 0 pengemudi. Beban pada kristal kemudian hanya kapasitansi pada outputnya.

Lakukan matematika. Impedansi 6 pF pada 32,8 kHz adalah 810 kΩ. Sekarang impedansi driver kristal tentu bukan nol, tetapi sangat mungkin relatif terhadap 810 kΩ.

Pertimbangkan apa yang benar-benar dilakukan oleh masing-masing topi. Yang ada di input memuat driver kristal. Tujuan utama dari itu adalah untuk melemahkan beberapa harmonisa yang keluar dari pengemudi. Ini mengalahkan pada kristal lebih sedikit, dan membuatnya lebih kecil kemungkinannya bahwa seluruh sistem akan berosilasi secara harmonis. Crytals memiliki karakteristik transfer yang kompleks. Mereka dapat memiliki beberapa karakteristik yang sama pada harmonisa seperti yang mereka lakukan pada frekuensi operasi yang diinginkan. Beberapa kristal dipotong sehingga sengaja memungkinkan penggunaan pada harmonisa, yang disebut mode nada dalam industri.

Kapasitansi pada output adalah kapasitansi "beban" yang sebenarnya. Reaktansinya bekerja terhadap kristal untuk fase menggeser hasil jumlah yang tepat pada frekuensi yang tepat.

Dalam kasus Anda, kristal diberi peringkat untuk beban 6 pF, dan itulah yang Anda masukkan pada outputnya. Itu seharusnya bekerja. Dugaan saya apa yang terjadi adalah bahwa tutup pada input kristal, benar-benar pada output driver kristal, juga menyebabkan pergeseran fasa yang bekerja melawan bahwa dari tutup beban. Sama seperti tes, coba lepaskan tutup pada input kristal dan biarkan 6 pF pada outputnya. Akan lebih baik untuk melihat bentuk gelombang pada input kristal itu, tetapi bahkan probe lingkup 10x mungkin mengubahnya. Coba saja, tetapi pastikan probe lingkup diatur ke impedansi tertinggi, karena itu kapasitansi terendah, mungkin.

Dua tutup dan kristal beroperasi sebagai pergeseran fase 180 derajat. Besarnya dua tutup (rasio) akan menentukan rasio transfer tegangan. 6Pf terdengar agak kecil, masalahnya adalah apa titik desain beban paralel kristal? Anda tidak ingin pindah jauh dari nilai ini. Saya biasanya memiliki 27pf di setiap sisi.

Saya juga melihat satu sode jika kristal terikat langsung ke output prosesor. Output ini mungkin Z rendah yang mana dapat mendorong kristal. Ingat spec drive ini dari kristal arloji ini kecil, sangat mudah untuk over drive. Seri R 100K dapat digunakan untuk mengurangi drive kristal.

Pastikan prosesor memiliki resistor bias internal 1 - 10 Meg dari output ke input. Anda menyebutkan itu mulai terombang-ambing ketika disentuh dengan prob lingkup. Itu mungkin masalah bias DC (probe lingkup 10Meg saya kira) atau mungkin tutup probe menyesuaikan rasio transfer sirkuit disetel.

Benar-benar bersih (tidak ada fluks yang menyimpang) dan kabel yang sangat pendek. Ini adalah sirkuit Hi Z nyata.

Bob K.

Juga: Probe "Standar" yang saya gunakan adalah x 100 karena mereka memberikan jumlah kapasitansi terkecil, saya ingat sekitar 1,5pf. Menggunakan x 10 sulit di sirkuit ini, x 1 tidak berguna. Menggunakan x 100 dan mendongkrak gain vertikal ruang lingkup, membuat ruang depan ujung melakukan tugasnya. Probe X 1 hampir tidak berguna untuk Z tinggi atau kecepatan tinggi. Anda akan menyukai x 100 yang melakukan pekerjaan digital karena arus klip GND turun dengan faktor 10. Cobalah.

Pada 32KHz, ini bukan kristal khas XT / AT-cut, melainkan kristal jam tangan digital, "garpu tala" kecil sepanjang beberapa mm.

Karena menanggapi sentuhan, bias DC yang disediakan oleh PIC mungkin salah. Coba tambahkan resistansi nilai besar yang terhubung di antara pin osilator (10Meg, bahkan 22Meg.)

Ada kemungkinan bahwa kristal Anda bisa rusak oleh gir. (Satu referensi menyarankan termasuk lebih dari 100 ribu resistensi antara pin SOSC dan kristal.)

Untuk banyak info, baca lembar spesifikasi untuk chip lama dengan osilator menggunakan kristal garpu tala freq rendah ...

halaman 10 di sini: http://www.abracon.com/Support/Tuning-Fork-Crystals-and-Oscillator.pdf

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

PS Saya perhatikan bahwa tambang emas elektronik saat ini memiliki garpu tala "kristal menonton" yang murah dengan frekuensi yang tidak biasa, bukan 32KHz

Dalam pengalaman saya dan sebagian besar TI seperti TI, merekomendasikan umpan balik eksternal 1MOhm, bukan 10M yang sudah ada di dalam. Resonator garpu tala memiliki ESR tinggi dan memiliki ambang kerusakan uW jauh lebih rendah daripada mode XT atau AT memotong kristal.

.peringatan. Jika Anda mengabaikan Mfg atau Catatan Aplikasi OEM mungkin rusak.

Ini adalah rangkaian resonansi paralel. Resonansi adalah impedansi tinggi pergeseran fasa 180 derajat yang setelah inversi memberikan umpan balik positif. Secara internal terdapat 10M ohm umpan balik R tinggi yang di DC berfungsi untuk mem-bias sendiri input pada Vdd / 2 untuk menghasilkan gelombang persegi yang memiliki tegangan DC rata-rata Vdd / 2.

Jika input DC tidak mendekati nilai ini, Vdd / 2 di mana ia beroperasi sebagai penguat pembalik linier, output akan terjebak pada "1" atau "0". Saya harapkan 330 ohm antara Input SOSCI dan Vss atau Vdd untuk menggeser bias cukup dan menghentikan jam. Ini bertentangan dengan tes Anda dengan 330 Ohm ke 0V dan hanya masuk akal jika Anda membalikkan Masuk dan Keluar, karena hanya output SOSCO, yang dapat menggerakkan ini.

Kapasitansi gerakan hanya sekitar 3,5 fF (fentofarad) dengan induktansi sekitar 35kH dan ESR 35 ~ 70 kOhms. Ini mendefinisikan parameter resonator optimal untuk berosilasi pada 32768 Hz. Q adalah> 10k.

Jika Anda membaca aplikasi Microchip. perhatikan, ini merekomendasikan; salah satunya adalah http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• tambahkan umpan balik eksternal 1M untuk mengurangi potensi kesalahan dari kontaminasi kebocoran permukaan dan kesalahan penyimpangan
• tambahkan seri R untuk mencegah overwrive Anda, mis. 10k dan pengujian ini untuk margin dengan kegagalan untuk berosilasi margin Rs / (sRs + ESR)> 2 = marginal, 3 = lebih baik, 5 = terbaik Ini memastikan ada loop gain yang cukup untuk berosilasi.
• jika Anda menggunakan tutup yang tidak sama, buat tutup input lebih kecil untuk memungkinkan kapasitansi input.
• bersihkan semua bantalan fluks
• pertimbangkan pulau celah pelindung di sekitar seluruh cct kemudian sinyal penjaga perimeter atau gnd. untuk mengurangi gangguan jari atau crosstalk.

Satu-satunya kekurangan desain utama Anda adalah pengisian tembaga di sekitar semua trek menambahkan kapasitansi terlalu banyak dan mengurangi umpan balik pergeseran Fase dari 180 ke 90 derajat di mana jika penguatan loop tidak mencukupi, itu tidak akan berosilasi atau memaksa resonansi yang lebih rendah. Layout ini memaksa Anda untuk memilih xtal yang membutuhkan tutup beban yang lebih besar untuk stabilitas guna memenuhi kriteria Barkhausen.

Kesenjangan track ini harus sama atau tidak kurang dari kesenjangan antara bantalan IC karena nyasar C gnd terbalik dengan celah.

Meskipun saran Microchip meningkatkan margin, mereka tidak mengantisipasi pengguna yang menggunakan kesenjangan mengisi tembaga agresif <0,1mm.

Probe 1: 1 memiliki ground terlalu banyak induktansi dan kapasitor membujuk dan 1M juga akan mengganggu masukan DC bias.