Miért nem rezonál a 32,768 kHz-es kristályom?

A beágyazott fejlesztés leggyakoribb problémájának gyökérelemzése és megoldása

A probléma, amelyet minden fejlesztő ismer

Az áramkör teljesen össze van szerelve, a mikrokontroller elindul - de a valós idejű óra nem fut. A 32,768 kHz-es kristály nem rezeg. Vagy ami még rosszabb: néha oszcillál, néha pedig nem. Vagy beindul, de aztán szórványosan leáll.

Ez a probléma az egyik leggyakoribb és egyben legfrusztrálóbb hibaminta a beágyazott fejlesztések során. A 32,768 kHz-es órajel-kristály egy elektromosan érzékeny alkatrész, amely egy gyenge oszcillátoráramkörrel együtt működik - és ezt a kölcsönhatást számos tényező megzavarhatja.

Ez a cikk szisztematikusan elemzi a 32,768 kHz-es kvarckristályokkal kapcsolatos oszcillációs problémák leggyakoribb okait, és konkrét gyakorlati megoldásokat kínál.

A mikrokontrollerben lévő oszcillátor áramkörnek elegendő energiát kell termelnie ahhoz, hogy a kvarc rezgésbe jöjjön. Az oszcillátor áramkör negatív ellenállásának (|-R|) értékének jelentősen nagyobbnak kell lennie, mint a kristály ESR értéke. Ezt az arányt nevezzük oszcillációs tartaléknak:

Oszcillációs margó = |-R| / ESR

Ennek a tényezőnek legalább 5, lehetőleg 10 vagy annál nagyobbnak kell lennie. Ha ez 3 alatt van, az oszcilláció nem biztonságos. Az autóiparban általában >=10-es SF értéket követelnek meg.

A MHz-es kristályokkal ellentétben (tipikus ESR: 20-60 Ω) a 32,768 kHz-es kristályok ESR értéke a kiloohm-tartományban van:

Ugyanakkor a modern MCU-k 32 768 kHz-es oszcillátorfokozatai szándékosan a minimális energiafogyasztásra vannak optimalizálva. Sok alacsony fogyasztású MCU-ban a tipikus negatív ellenállás mindössze 200-500 kΩ.

A terhelési kapacitás az a teljes kapacitás, amelyet a kristály "lát" a csatlakozóin:

CL = (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

Ahol C1, C2 a külső terhelési kondenzátorok (ha vannak) és Cstray a parazita kapacitás (PCB vezetékek, IC csapok, jellemzően 1-5 pF).

• Túl alacsony terhelési kapacitás: A kristály nem kap elegendő energia-visszacsatolást → az oszcilláció meghiúsulhat.
• Túl nagy terhelési kapacitás: Az oszcillációs amplitúdó csillapodik, a frekvencia lefelé tolódik és az energiafogyasztás nő.

• Túl hosszú nyomok: Minden milliméter parazita kapacitást ad (kb. 0,5-1 pF/cm).
• Digitális jelek a közelben: Óravonalak vagy SPI-buszok interferenciában párosulnak.
• Földsík közvetlenül a kristály alatt: Többrétegű NYÁK-okon növeli a parazita kapacitást.
• Áteresztések a kristály területén: Interferencia antennaként viselkednek.
• Folyadékmaradványok és nedvesség: Szivárgási áramokat okoznak - alacsony hőmérsékleten megnövekedett.

Sok MCU-oszcillátor áramkörben a kristállyal párhuzamosan nagy impedanciájú visszacsatoló ellenállás (Rf ) szükséges (jellemzően 5-15 MΩ). Ez előfeszíti az inverterfokozatot a lineáris működési tartományba. Egyes MCU-k belsőleg rendelkeznek ezzel az ellenállással (STM32, nRF52, ESP32), mások külsőleg igénylik (egyes MSP430 változatok, bizonyos 8 bites MCU-k).

A 32,768 kHz-es hangvillakristály jellemzően 0,5-1,0 µW maximális meghajtási teljesítményre van specifikálva. Ennek túllépése frekvenciaeltolódáshoz, gyorsabb öregedéshez és szélsőséges esetben a rezonátor mechanikai töréséhez vezet.

A gyakorlatban a túlterhelés akkor következik be, ha nincs soros ellenállás (Rd) a korlátozáshoz.