Tinh thể 32 kHz không hoạt động như mong đợi

Tôi đã cố gắng tìm ra vấn đề này trong vài ngày nay, đọc về hoạt động / cấu hình tinh thể điển hình và tôi cảm thấy hụt hẫng. Tôi đã thử tìm kiếm ở đây nhưng không gặp phải bất cứ điều gì tương tự như vấn đề của tôi, vì vậy tôi xin lỗi nếu tôi bỏ lỡ giải pháp của mình ở đâu đó.

Tôi đang cố gắng chạy RTC khỏi một tinh thể bên ngoài bằng PIC, nhưng tinh thể đó không dao động khi tôi mong đợi và đang dao động trong các trường hợp khác, và tôi không thể hiểu ý nghĩa của nó. Tôi không phải là một EE, vì vậy tôi có lẽ chỉ là không biết gì.

Pha lê: LFXTAL016178 . Tôi khá chắc chắn rằng vì không có gì được liệt kê, nó là một tinh thể cộng hưởng song song. Điện dung tải của nó là 6 pF, mà tôi thấy là không phổ biến? Tôi không chắc.

PIC: PIC24FJ128GB204 . Tôi đã kết nối tinh thể như biểu dữ liệu gợi ý, nhưng nó không cung cấp nhiều trợ giúp rõ ràng trong việc chọn tụ điện tải, vì vậy tôi đã thực hiện một số tìm kiếm và tìm các tài nguyên khác trực tuyến để giúp tôi ở đó.

Thiết lập: Tôi thấy từ một vài nguồn rằng một quy tắc tốt cho tụ điện tải là , thêm điện dung đi lạc vàoC1vàC2trong khoảng từ 2 đến 5 pF. Tôi đã chọn những gì tôi nghĩ là giá trị trung bình của 6pF cho cả hai tụ điện và tôi vẫn không chắc lựa chọn đó tệ đến mức nào.$C_L = \frac{C_1 × C_2}{C_1+C_2}$$C_1$$C_2$

Dưới đây là hình ảnh sơ đồ của tôi: Bố cục:

Các trường hợp không hoạt động:

• Như trong sơ đồ, với các tụ tải 6pF trên cả hai chân, nó không dao động. Trừ khi nó dao động cứ sau 10 phút hoặc một cái gì đó.
• Khi các tụ điện bị loại bỏ, nó dao động rất chậm, có thể chậm hơn khoảng 2,5 lần so với bình thường. Tôi đã không đo tốc độ này.
• Với các tụ 6pF bổ sung được hàn trên đầu để tạo ra các tụ 12pF, nó không dao động.
• Với 3 tụ điện pF và điện trở 10 MOhm trên các chân. (Đồng hồ RTCC thất thường.)

Trường hợp nó không làm việc:

• Khi tôi thăm dò chân SOSCI bằng máy hiện sóng. Trong ba trường hợp đầu tiên ở trên, ngay khi tôi chạm đầu dò vào chân SOSCI, nó đã khởi động và cho tôi một làn sóng sin sạch đẹp. Nó đã không làm điều này khi tôi chạm vào chân SOSCO, HOẶC khi tôi sử dụng tụ điện 3pF. Tôi biết nó không hoạt động trước vì một số đèn LED được cho là nhấp nháy mỗi giây, chỉ nhấp nháy với đầu dò được kết nối. (Tôi không biết tất cả mọi thứ về máy hiện dao TDS 2002 nếu điều đó có ý nghĩa với bất cứ ai.)
• Khi tôi kết nối một điện trở 330 Ohm giữa SOSCI và mặt đất. Đó là một trong hai điện trở tôi có trong tay; 10k trông giống như nó làm cho nó hoạt động ở khoảng một nửa tần số đúng.
• Với 3 tụ điện pF, nhưng ở mức 14 kHz.

Dưới đây là một số tần số mà tôi đã đo:

• (Mũ 12 pF) Đầu dò chạm tần số tới SOSCI: 32.7674 kHz
• (Mũ 12 pF) Đầu ra tần số bằng PIC với trình kéo xuống 330 ohm trên SOSCI: 32.764 kHz
• (Mũ 12 pF) Đầu ra tần số bằng PIC sử dụng LPRC: 32,68 kHz
• (Mũ 3 pF) Đầu ra tần số theo PIC: 14,08 kHz

Về cơ bản, điều tôi muốn biết là tại sao đôi khi nó dao động hoàn hảo khi tôi sử dụng đầu dò phạm vi, và giải pháp chính xác là gì để làm cho nó hoạt động như tôi muốn.

$C_L$$^{\circ}$

$C_L$$C_L$

Nhà sản xuất MCU có khả năng có lỗi. Có hoàn toàn không có lý do gì để không thiết kế một bộ dao động MCU RTC hiện đại với chức năng đáng tin cậy với bất kỳ pha lê 32kHz điển hình thương mại có sẵn.

Thật không may, điều ngược lại phổ biến hơn nhiều, như bạn đã phát hiện ra - trong trường hợp của bạn, bảng dữ liệu MCU không đề cập đến việc điện dung tải 6pF không hoạt động.

Vấn đề gốc là bạn đang làm việc với một hệ thống gồm hai thành phần , được thực hiện bởi hai nhà sản xuất khác nhau. Một trong số họ nói silicon và người kia nói thạch anh, và họ chưa bao giờ đồng ý chính xác làm thế nào để nói với các nhà thiết kế cách các sản phẩm của họ làm việc đáng tin cậy với nhau.

Vì vậy, như bạn đã tìm ra, bộ tạo dao động tinh thể có thể là một cái bẫy cho sự không ổn định. Tôi đã thấy một dây chuyền sản xuất ô tô lớn bị bế tắc vì các vấn đề khởi động dao động tinh thể!

Dù sao, để có được câu hỏi của bạn về TẠI SAO , có bốn thông số quan trọng đang bị đe dọa:

1. Trở kháng đầu ra của bộ dao động MCU. Điều này thay đổi theo tần số và thường bị phức tạp bởi các bit cấu hình như "mức ổ đĩa" hoặc "mức năng lượng". Tôi chưa bao giờ thấy các giá trị này được chỉ định / đảm bảo bởi bất kỳ nhà sản xuất MCU nào.

2. Trở kháng đầu vào của mạng "pi" tụ điện bên ngoài. Điều này chủ yếu được xác định bởi các tụ điện ở phía đầu vào, lần lượt được xác định bởi điện dung tải được chỉ định bởi nhà sản xuất tinh thể.

3. $G_m$

4. Độ tăng điện áp (thực tế là mất) của mạch "Pi" Cap-Xtal-Cap bên ngoài khi cộng hưởng. Điều này chủ yếu được xác định bởi điện trở chuỗi tương đương bên trong (ESR) của tinh thể. Tinh thể bạn đề cập chỉ định ESR = 50k. Điện trở cũng tăng theo tuổi tác (vì độ ẩm / tạp chất rò rỉ vào vỏ pha lê) và cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ / thời gian hàn. (Các tạp chất trong vỏ tinh thể bay hơi & lắng trên thạch anh) ESR cũng có thể thay đổi đáng kể giữa các lô sản xuất. 50k là ESR khá điển hình cho tinh thể 32kHz - mức thấp nhất tôi thấy được chỉ định ở mức 32kHz đối với tinh thể có hệ số dạng nhỏ là 30k.

Đối với bất kỳ bộ dao động nào để làm việc, tổng mức tăng điện áp, là tích của (3) và (4) phải> 1. Ngoài ra, pha của mức tăng (có, mức tăng là một số phức) phải là 360 độ. Khoảng một nửa pha, 180 độ, được cung cấp bởi bộ khuếch đại đảo ngược và "đảo ngược thứ hai" được cung cấp bởi mạng cap-xtal-cap.

Đây là một mô phỏng trực tuyến đơn giản có thể giúp bạn có cảm giác về mức tăng, trở kháng đầu ra và các giá trị tụ tương tác và ảnh hưởng đến khởi động. Nhấp chuột phải vào bất kỳ thành phần nào để thay đổi giá trị của nó. (Lưu ý - mô phỏng này sử dụng điện áp tụ dư 1mV để khởi động giả, nhưng trong tiếng ồn thực tế trong bộ khuếch đại là nguồn khởi động, như trong trường hợp này )

Vì vậy, những gì đã xảy ra trong trường hợp của bạn? Rất có thể, nhà thiết kế bộ tạo dao động MCU đã thiết kế giai đoạn đầu ra của mình để hoạt động một cách đáng tin cậy với các tinh thể được tải 12,5pF, và hóa ra khi tải 6pF, yêu cầu tăng điện áp hoặc pha không được đáp ứng. Vì không có gì về các giả định thiết kế được nêu trong bảng dữ liệu, voila, vấn đề cho bạn - và nhiều người khác.

Wow, một nhà thiết kế nhúng nên làm gì?

Đầu tiên, hãy luôn lưu ý rằng một bộ dao động tinh thể cận biên có thể khiến doanh nghiệp của bạn tốn rất nhiều tiền.

Thứ hai, theo quan điểm trên, đặc biệt là nếu bạn thiếu kinh nghiệm hoặc nếu nhà cung cấp MCU của bạn không chỉ định các tham số tinh thể trong biểu dữ liệu , khoản đầu tư tốt nhất của bạn có thể là bộ tạo dao động 32kHz công suất thấp bên ngoài.

Thứ ba, đảm bảo bạn sử dụng một tinh thể có ESR và điện dung được chỉ định bởi nhà sản xuất MCU của bạn. Nếu bạn không thấy bất kỳ thông tin nào trong bảng dữ liệu, hãy hỏi nhà cung cấp của bạn để biết danh sách các số phần tinh thể được đề xuất hoặc chọn MCU.

Thứ tư, kiểm tra, kiểm tra, kiểm tra! Trên tất cả các điện áp và nhiệt độ . Lưu ý thời gian khởi động mất bao lâu bằng cách định thời gian trong phần sụn bằng đồng hồ RC nếu có thể và nếu đơn vị sản xuất vượt quá định mức, giả sử, hãy để phần sụn thử nghiệm của bạn đặt cờ để có thể nhận thấy trong thử nghiệm sản xuất. Bằng cách đó, các đơn vị sản xuất không thể ra khỏi cửa với các bộ dao động biên mà không có tiếng chuông báo thức.

Các kỹ sư xác minh sản xuất có kinh nghiệm làm gì?

Họ làm việc xung quanh việc thiếu thông tin thích hợp bằng cách yêu cầu mức an toàn gấp 10 lần giữa "những gì hoạt động" và "những gì hoạt động đáng tin cậy" - họ đo ESR thực tế, sau đó thêm một "kháng handicap" bổ sung thêm 10 lần nối tiếp với tinh thể vào mạng cap-xtal-cap. Nếu hệ thống "ESR khuyết tật" hoạt động trên tất cả các kết hợp điện áp và nhiệt độ , thì giả định rằng biên an toàn 10 lần là đủ để chi trả cho các biến số chưa biết trong cả hai mức tăng ESR và MCU. Điều này được giải thích một phần trong hình 3 của ghi chú ứng dụng này.

Những gì bạn nên làm?

Nếu bạn không thể thực hiện thử nghiệm trên vì bất kỳ lý do nào và muốn bán một sản phẩm hàng nghìn, bạn chắc chắn nên đầu tư thêm đồng xu cho bộ tạo dao động 32kHz ngoài luồng từ một nhà cung cấp bộ tạo dao động đã thực hiện tất cả thử nghiệm đó bạn , hoặc bằng cách chuyển sang MCU chỉ định một tinh thể cụ thể (hoặc yêu cầu tinh thể) trong bảng dữ liệu thiết bị.

Mặc dù bạn có thể "khắc phục" tình huống bằng cách chọn một tinh thể có điện trở trong thấp hơn và / hoặc bằng cách chơi với các giá trị tụ điện khác nhau / không đối xứng, giải pháp của bạn vẫn có thể là cận biên, vì những lý do đã giải thích ở trên.

TL; DR:

Bộ tạo dao động tinh thể có thể khiến doanh nghiệp của bạn tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc. Sử dụng bộ tạo dao động ngoài nếu bạn có thể hoặc thực hiện kiểm tra "ESR khuyết tật" như được mô tả ở trên trên tất cả các phạm vi điện áp và nhiệt độ.

Cuối cùng, hãy chắc chắn sử dụng tụ điện NPO để ổn định nhiệt độ.

Có hai điều chính đang diễn ra:

1. Bạn không có đủ điện dung tải.

2. Bạn không hiểu điện dung tải.

Hãy tưởng tượng một bên của một tinh thể được điều khiển với một sóng hình sin ở tần số tinh thể. Tín hiệu này là trở kháng thấp. Điện dung tải là điện dung mà bạn đặt ở phía bên kia của tinh thể để gây ra sự dịch pha 180 °.

Sự dịch pha của các tinh thể như vậy thay đổi nhanh chóng như là một hàm của tần số ở tần số hoạt động của tinh thể. Do pha là một hàm của tần số rất dốc ngay tại tần số hoạt động, đây là một điều tốt cho mạch lái xe sử dụng để đảm bảo tinh thể hoạt động ở tần số dự định. Các loại mạch này dao động tối ưu khi tinh thể dịch chuyển pha đầu vào 180 °. Vì chỉ có một chút thay đổi tần số làm rối tung lên, nên dao động kết quả rất gần với tần số dự định của tinh thể.

Bây giờ trở lại mạch của bạn. Manh mối lớn là mọi thứ hoạt động khi bạn đặt một đầu dò phạm vi trên chân đầu vào dao động. Những gì đang làm là thêm điện dung ở phía đầu ra của tinh thể. Rõ ràng, với thiết lập mà bạn có, điện dung của đầu dò phạm vi bổ sung làm cho tinh thể dịch pha pha lượng thích hợp để hệ thống dao động. Nếu bạn tự thêm nhiều điện dung vào đầu ra tinh thể , bạn sẽ nhân rộng hiệu ứng của đầu dò phạm vi và mọi thứ sẽ hoạt động. Hãy thử thêm 10 pF hoặc hơn cho người mới bắt đầu.

Đừng sử dụng các công thức bạn tìm thấy ở đầu kia của internet mà không hiểu chúng. Phương trình bạn hiển thị làm cho một loạt các giả định, một số trong số chúng không hợp lệ. Thật không may, có rất nhiều sự ngu ngốc thông thường ngoài kia liên quan đến tinh thể.

Bản thân tinh thể chỉ là một thiết bị hai cực và không "biết" bất cứ điều gì về mặt đất mạch của bạn. Cuối cùng, điện dung tải là những gì trên các thiết bị đầu cuối của nó. Do đó, sự ngu ngốc thông thường nói rằng sử dụng hai tụ điện bằng nhau ở mỗi bên của tinh thể để tiếp đất. Vì đây là trong loạt, mỗi cần phải có gấp đôi điện dung mong muốn. Tuy nhiên, bất cứ điện dung đi lạc nào đối với mặt đất mà bạn nghĩ rằng có ở mỗi bên của tinh thể cần phải được trừ khỏi các điện dung này.

Vấn đề với sự ngu ngốc thông thường là nó bỏ qua trở kháng của đầu ra trình điều khiển tinh thể. Hãy xem xét trường hợp cực đoan là 0. Trong trường hợp đó, điện dung được thêm vào phía đầu vào của tinh thể là hoàn toàn không liên quan, vì nó song song với trở kháng 0 của trình điều khiển. Tải trên tinh thể sau đó chỉ là điện dung trên đầu ra của nó.

Làm một số phép toán. Trở kháng của 6 pF tại 32,8 kHz là 810 kΩ. Bây giờ trở kháng của trình điều khiển pha lê chắc chắn không phải là không, nhưng rất có thể có ý nghĩa tương đối với 810 kΩ.

Xem xét những gì mỗi mũ thực sự làm. Một trong những đầu vào tải trình điều khiển tinh thể. Mục đích chính của điều đó là để làm giảm một số sóng hài phát ra từ người lái xe. Điều này đập vào tinh thể ít hơn, và làm cho nó ít có khả năng toàn bộ hệ thống sẽ dao động ở một điều hòa. Crytals có đặc điểm chuyển phức tạp. Chúng có thể có một số đặc điểm giống nhau ở sóng hài như chúng làm ở tần số hoạt động dự định. Một số tinh thể được cắt để cố tình cho phép sử dụng ở sóng hài, được gọi là chế độ âm lượng trong ngành.

Điện dung trên đầu ra là điện dung "tải" thực sự. Phản ứng của nó hoạt động chống lại tinh thể để dịch pha kết quả đúng số lượng ở tần số phù hợp.

Trong trường hợp của bạn, tinh thể được xếp hạng cho tải 6 pF và đó là những gì bạn đưa vào đầu ra của nó. Điều đó nên làm việc. Tôi đoán những gì đang xảy ra là nắp trên đầu vào của tinh thể, thực sự trên đầu ra của trình điều khiển pha lê, cũng gây ra sự dịch pha làm việc so với nắp tải. Cũng giống như thử nghiệm, hãy thử tháo nắp trên đầu vào tinh thể và để lại 6 pF trên đầu ra của nó. Sẽ thật tuyệt khi nhìn thấy sóng trên đầu vào tinh thể, nhưng ngay cả một đầu dò phạm vi 10 x cũng có thể thay đổi nó. Dù sao hãy thử, nhưng đảm bảo đầu dò phạm vi được đặt ở mức trở kháng cao nhất, do đó có thể có điện dung thấp nhất.

Hai nắp và pha lê hoạt động như một sự thay đổi pha 180 độ. Độ lớn của hai nắp (tỷ lệ) sẽ xác định tỷ lệ truyền điện áp. 6Pf nghe có vẻ hơi nhỏ, vấn đề là điểm thiết kế tải song song là gì? Bạn không muốn di chuyển xa khỏi giá trị này. Tôi thường có 27pf mỗi bên.

Tôi cũng thấy một sode nếu tinh thể gắn trực tiếp vào đầu ra của bộ xử lý. Đầu ra này có thể là Z thấp, có thể vượt qua một tinh thể. Hãy nhớ thông số ổ đĩa này của những tinh thể đồng hồ này rất nhỏ, rất dễ để lái xe. Một loạt R 100K có thể được sử dụng để giảm ổ đĩa pha lê.

Đảm bảo bộ xử lý có điện trở phân cực 1 - 10 Meg bên trong từ đầu ra đến đầu vào. Bạn đã đề cập đến nó bắt đầu dao động khi chạm vào một đầu dò phạm vi. Đó có thể là vấn đề sai lệch DC (tôi đoán là đầu dò phạm vi 10Meg) hoặc có thể là nắp đầu dò điều chỉnh tỷ lệ truyền mạch được điều chỉnh.

Hãy thực sự sạch sẽ (không có thông lượng đi lạc) và dây thực sự ngắn. Đó là một mạch Hi Z thực sự.

Bob K

Ngoài ra: Các đầu dò "Tiêu chuẩn" tôi sử dụng là x 100 vì chúng cung cấp lượng điện dung nhỏ nhất, tôi nhớ lại khoảng 1,5pf. Sử dụng x 10 là khó khăn trong mạch này, x 1 là vô ích. Ues x 100 và tăng tốc độ tăng phạm vi theo chiều dọc, làm cho mặt trước phạm vi thực hiện công việc của nó. Đầu dò X 1 gần như vô dụng đối với Z cao hoặc tốc độ cao. Bạn sẽ thích x 100 khi thực hiện các tác phẩm kỹ thuật số khi dòng clip GND giảm xuống 10 lần. Hãy thử.

Ở tần số 32KHz, đây không phải là các tinh thể cắt XT / AT điển hình, mà thay vào đó là các tinh thể đồng hồ kỹ thuật số, các "nĩa điều chỉnh" nhỏ dài vài mm.

Vì nó phản ứng với cảm ứng, sai lệch DC do PIC cung cấp có thể sai. Hãy thử thêm điện trở giá trị lớn được kết nối giữa các chân dao động (10Meg, thậm chí 22Meg.)

Có thể là tinh thể của bạn có thể bị hỏng do vượt tốc. (Một tham chiếu gợi ý bao gồm hơn 100K điện trở giữa pin SOSC và tinh thể.)

Để biết nhiều thông tin, hãy đọc các thông số kỹ thuật cho các chip cũ hơn với các bộ dao động bằng cách sử dụng các tinh thể ngã ba điều chỉnh tần số thấp này ...

trang 10 tại đây: http://www.abracon.com/Support/Tuning-Fork-Cstall-and-Oscillator.pdf

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

PS Tôi nhận thấy rằng goldmine điện tử hiện có các dĩa điều chỉnh "tinh thể đồng hồ" giá rẻ với tần số bất thường, không phải 32KHz

Theo kinh nghiệm của tôi và hầu hết các TI như vậy của OEM, hãy đề xuất phản hồi bên ngoài 1MOhm, không phải 10 triệu mà đã có bên trong. Bộ cộng hưởng điều chỉnh ngã ba có ESR cao và có ngưỡng sát thương uW thấp hơn nhiều so với chế độ XT hoặc tinh thể cắt AT.

.cảnh báo. Nếu bạn bỏ qua Ghi chú ứng dụng Mfg hoặc OEM, nó có thể bị hỏng.

Đây là một mạch cộng hưởng song song. Sự cộng hưởng là trở kháng cao 180 độ dịch pha mà sau khi đảo ngược cho phản hồi tích cực. Bên trong có 10M ohm phản hồi R cao mà tại DC phục vụ để tự thiên vị đầu vào ở Vdd / 2 để tạo ra một sóng vuông có điện áp DC avg / 2 avg.

Nếu DC đầu vào không ở gần giá trị này, Vdd / 2 nơi nó hoạt động như một bộ khuếch đại đảo ngược tuyến tính, đầu ra sẽ bị kẹt ở "1" hoặc "0". Tôi sẽ mong đợi 330 ohms giữa Đầu vào SOSCI và Vss hoặc Vdd để thay đổi độ lệch đủ và dừng đồng hồ. Điều này mâu thuẫn với các thử nghiệm của bạn với 330 Ohm đến 0V và chỉ có ý nghĩa nếu bạn đảo ngược vào và ra, vì chỉ có SOSCO đầu ra, có thể điều khiển việc này.

Điện dung chuyển động chỉ khoảng 3,5 fF (fentofarads) với độ tự cảm khoảng 35kH và ESR là 35 ~ 70 kOhms. Điều này xác định các tham số cộng hưởng tối ưu để dao động ở 32768 Hz. Q là> 10k.

Nếu bạn đọc ứng dụng của Microchip. lưu ý, nó khuyến nghị; một trong số đó là http://ww1.microchip.com/doads/en/AppNotes/00001798a.pdf

• thêm 1M phản hồi bên ngoài để giảm các lỗi tiềm ẩn từ ô nhiễm rò rỉ bề mặt và sai lệch
• thêm sê-ri R để ngăn chặn quá mức uW, ví dụ 10k và kiểm tra tỷ lệ này với biên độ không có dao động biên R / (sRs + ESR)> 2 = cận biên, 3 = tốt hơn, 5 = tốt nhất Điều này đảm bảo có đủ mức tăng vòng lặp để dao động.
• nếu bạn sử dụng các nắp không bằng nhau, hãy làm cho nắp đầu vào nhỏ hơn để cho phép điện dung đầu vào.
• làm sạch tất cả các miếng đệm thông lượng
• xem xét một đảo khoảng cách bảo vệ xung quanh toàn bộ cct sau đó là tín hiệu bảo vệ chu vi hoặc gnd. để giảm nhiễu ngón tay hoặc nhiễu xuyên âm.

Lỗ hổng thiết kế lớn duy nhất của bạn là phần lấp đầy xung quanh tất cả các bản nhạc tăng thêm điện dung và giảm phản hồi chuyển pha từ 180 xuống 90 độ trong đó nếu mức tăng vòng lặp không đủ, nó sẽ không dao động hoặc tạo ra cộng hưởng thấp hơn. Bố cục này buộc bạn phải chọn một xtal yêu cầu giới hạn tải lớn hơn để ổn định để đáp ứng tiêu chí Barkhausen.

Các khoảng trống theo dõi này phải giống hoặc không ít hơn các khoảng trống giữa các miếng IC vì gnd C đi lạc ngược với khoảng cách.

Mặc dù lời khuyên của Microchip cải thiện tỷ suất lợi nhuận, họ không lường trước được những người dùng sử dụng khoảng trống lấp đầy đồng mạnh mẽ <0,1mm.

Đầu dò 1: 1 có quá nhiều điện cảm đất và điện dung dỗ và 1M cũng sẽ làm đảo lộn độ lệch DC đầu vào.