Jak przetestować rezonator kwarcowy na płycie?

12

Na mojej płytce drukowanej mam 2 rezonatory kwarcowe: 32,768 kHz i 20 MHz. Są one podłączone do układu nadawczo-odbiorczego Freescale MC12311, który ma wbudowany mikrokontroler HCS08. Chcę sprawdzić, czy te kryształy działają poprawnie, czy nie.

Dostępne narzędzia : Oscyloskop, Miernik częstotliwości (licznik cyfrowy), Multimetr cyfrowy.

Jak powinienem używać tych narzędzi do testowania kryształów na pokładzie ?

  • Uwaga : Prawdopodobnie należy wziąć pod uwagę obciążenie pojemnościowe sond . Jeśli nie, pomiar nie byłby dokładny, a nawet gorzej, kryształy w ogóle nie działałyby.

Edycja1 : Użyłem zarówno oscyloskopu, jak i miernika częstotliwości (z sondami x10), ale niestety nic nie było monitorowane.

Omid1989
źródło
1
Jakiego rodzaju sond używasz? Potrzebna jest przepustowość sond i instrumentów. Możesz sprawdzić notę ​​aplikacyjną Atmel AVR4100, aby uzyskać wskazówki dotyczące kryształu 32kHz.
Dejvid_no1
1
Prawdopodobnie nic nie zepsujesz, jeśli umieścisz sondę oscyloskopową na wyjściu rezonatora. Jaki jest zakres marki i model?
Dejvid_no1
1
To analogowy oscyloskop Tektronix . Nawiasem mówiąc, obciążenie pojemnościowe sondy oscyloskopu wpłynęłoby na pomiar. W każdym razie, czy miernik częstotliwości nie jest lepszym wyborem?
Omid1989
1
Jestem prawie pewien, że powinieneś być w stanie zaprogramować MCU bez zewnętrznych zegarów, więc jest to oddzielny problem od tego, czy kryształy są OK. Po resecie sprzętowym MCU uruchamia się na wewnętrznym oscylatorze.
Dave Tweed
1
Po prostu użyłbym oscope. Jeśli byłby jakiś efekt sond, po prostu spowodowałoby to nieznaczną różnicę częstotliwości. Ale nadal zobaczysz sygnał zegara. Pamiętaj, aby odwoływać się do uziemienia płytki drukowanej, a nie tylko drugiej strony kryształu!
bitsmack

Odpowiedzi:

9

Jak widzę, odpowiedź nie została zaakceptowana. Pozwól, że dam inną odpowiedź.

Większość współczesnych układów scalonych wykorzystuje tak zwany Pierce Oscillator do generowania stabilnych zegarów przy użyciu kryształów. Oto główna konfiguracja obwodu:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Jak widać, obwód nie jest symetryczny: prawa strona jest wyprowadzana przez jakiś sterownik (zwykle oznaczony jako XO), a lewa strona jest wprowadzana do wzmacniacza odwracającego (zwykle oznaczanego jako XI). Dlatego sondowanie końca XO (wyjściowego) jest względnie bezpieczne, pod warunkiem, że sonda ma stosunkowo wysoką impedancję. Zadanie powinno wykonać zwykła sonda pasywna 1:10 z impedancją wejściową 1M. W praktyce sterownik wyjściowy we wzmacniaczu obwodu jest celowo osłabiony, zwykle nie więcej niż 1 mA obciążenia, aby zapobiec nadmiernemu przesterowaniu Xtal, ale 1 mA powinien wystarczyć do sterowania sondą 1M.

Pojemność końcówki sondy może przesunąć częstotliwość oscylacji o 20-50 ppm, ponieważ zmieni to dostrajanie obwodu (obciążenie Xtal, C1 szeregowo z C2). Jednak obciążenie sondy na XO nie powinno przerywać oscylacji, chyba że cały obwód jest zbyt marginalny i nie spełnia kryteriów stabilności (ujemna impedancja wzmacniacza powinna być 3-5 razy większa niż Xtal ESR). Jeśli sonda to zrobi, należy uznać test Xtal za nieudany.

Nigdy nie należy próbować sondować wejścia XI, może tylko sondą 100 MOhm i tylko dla ciekawości. Powodem nie jest pojemność szczytowa (2-8-12pF lub wahtever), ale spowodowanie przesunięcia prądu stałego na pin XI z powodu skończonej impedancji sondy. Oscylator Pierce'a jest bardzo delikatnym nieliniowym obwodem i ma bardzo ważny komponent sprzężenia zwrotnego DC R1, który skutecznie dostosowuje wejściowy poziom DC do punktu maksymalnego wzmocnienia, zwykle około połowy drogi od ziemi do Vcc. Składowa R1 ma zwykle 1MOhm i więcej, a oscylacje zostają wyśrodkowane w samowybranym punkcie prądu stałego. Podłączenie nawet sondy 10MOhm przesuwa ten punkt w dół, spadki wzmocnienia i oscylacje umierają.

I oczywiście najlepszym sposobem testowania oscylacji jest nie dotykanie jej sondami, ale posiadanie wewnętrznego bufora z wyjściem na inne styki testowe GPIO.

Ale..chenski
źródło
7

Miałem podobny problem z debugowaniem jeden raz z moimi kontrolerami ATMEGA328P Atmela, rezonatory ceramiczne 8 MHz wydawały się nie działać. Miałem dwukanałowy oscyloskop Cheapo Rigola i miałem wcześniej działającą płytkę, którą zrobiłem wcześniej i ładny sygnał 8 MHz był łatwo widoczny, bez problemu z powodu obciążenia przez sondy. Nie powinieneś martwić się wpływem sondy na kryształ.

Głównym problemem, który znalazłem, był mój kontroler, który miał sterować kryształem, a jego bezpieczniki nie były ustawione prawidłowo, aby używać zewnętrznego kryształu. Po spaleniu bezpieczników w celu wybrania zewnętrznego kryształu rezonatory wykazały oznaki życia!

Warto więc upewnić się, że mikrokontroler podłączony do kryształu jest ustawiony do korzystania z kryształu, w przeciwnym razie nie ma nic, co mogłoby zasilić go mocą, aby oscylować. Po upewnieniu się, że tak jest, możesz zacząć sprawdzać, czy jest to problem z płytką drukowaną lub innymi problemami ze śladami, problemami z uziemieniem, niewłaściwymi pinami itp.

KyranF
źródło
Dzięki Kyran za odpowiedź. Używam Codewarrior 10.4 jako IDE. Czy wiesz, jak ustawić bity bezpiecznika w tym IDE?
Omid1989
1
Przepraszamy @ Omid1989 Nie znam tego IDE. Naprawdę użyłem tylko AVRdude i Arduino oraz Atmel Studio dla małych mikrokontrolerów oraz Code Composer Studio dla ARM A8. Może mieć oddzielne narzędzie do odczytu, a następnie zapisu bezpieczników w kartach / obszarach podobnych do programowania / flashowania układów docelowych. Rozejrzyj się w tych opcjach ustawień bezpiecznika. Arkusze danych mogą również informować, jakie opcje bezpiecznika / rejestru służą do wybierania zewnętrznych wejść kryształowych.
KyranF
Popieram to. Użyłem taniej sondy 10x, na krystalicznym wyjściu 13,598 MHz, z tanim obwodem oscylatora typu IC i wszystko działało dobrze. Właśnie sondowałem kryształ i oscylował on przy 13,5 MHz, co jest tak szybkie, jak mój oscyloskop oblicza częstotliwość.
Leroy105,
7

Zewnętrzne elementy sprawiają, że oscylator wygląda symetrycznie, ale na chipie znajduje się wzmacniacz, który nie jest niczym innym. Pin oscylatora, który znajduje się po stronie wyjściowej, będzie miał niższą impedancję, a umieszczenie tam sondy lunety nie wpłynie na nią prawie tak samo jak sondowanie pinu wejściowego.

Jeśli oscyluje, wyjście będzie miało większą amplitudę niż wejście; może również nie być bardzo dobrą falą sinusoidalną. Strona wejściowa będzie niższa i powinna być falą sinusoidalną (po przefiltrowaniu przez kryształ).

Jeśli nie oscyluje, sygnał wejściowy będzie głośniejszy i powinien wynosić około połowy napięcia zasilania. Pin wyjściowy będzie ładniejszy i może znajdować się w VDD lub w masie. Niektóre z nich będą się różnić w zależności od konstrukcji układu (i konfiguracji).

gbarry
źródło
1
BTW, nie powiedziałeś, czy chcesz dokładnie zmierzyć częstotliwość, czy po prostu zobaczyć, czy oscyluje.
gbarry
Chcę zobaczyć, czy to oscylujące, czy nie! BTW, co masz na myśli przez dane wejściowe i wyjściowe tutaj?
Omid1989
2
niektóre kryształy mają styk Xin i Xout z kondensatorem obciążającym na każdym z nich. Sygnał będzie nieco inny, ale w praktyce nie do końca. Sterownik wewnątrz mikrokontrolera lub innego urządzenia wykorzystującego kryształ lub rezonator jest w zasadzie obwodem oscylatora (z opampami itp.). Dlatego musisz aktywować zewnętrzne wejście kryształu dla mikro, aby włączyć te urządzenia peryferyjne.
KyranF
2
Wierzę, że KyranF chciał powiedzieć „niektóre oscylatory kwarcowe”, ponieważ sam kryształ jest symetryczny. Te piny są na mikroprocesorze. Nawet jeśli szpilki nie są oznaczone Xin i Xout (lub OscIn i OscOut), nadal bardzo prawdopodobnie zachowują się tak, jakby były.
gbarry
Więc jeśli zmierzę nieco wyższą częstotliwość na zacisku XO, powinienem ufać temu pomiarowi na bardziej „poprawnej” częstotliwości na zacisku XI?
endolith,
0

Jeśli masz czuły odbiornik komunikacyjny, taki jak używany w amatorskim radiu, zaczepiający drut między wejściem anteny odbiornika, a drugim końcem o cal od circiuta oscylatora, nawet nie dotykając obwodu, dostrajając odbiornik wokół częstotliwości kryształu, powinieneś usłyszeć rytm. I znajdź dokładną częstotliwość.

Paweł
źródło