Metodi di misurazione pratici per il post "Ottimizzazione dei cristalli di quarzo per i circuiti integrati" - sezioni C e 5
All'articolo dell'enciclopedia : Abbinare in modo ottimale i cristalli ai circuiti integrati
Di cosa si tratta:
I due condensatori del circuito esterno C1 e C2 dell'oscillatore Pierce, insieme alle capacità parassite del circuito (vaganti), determinano la capacità di carico effettiva. Una semplice formula del valore ricavato dalla scheda tecnica di solito non è sufficiente, perché ogni scheda di circuito ha una capacità parassita individuale. Questo post mostra come C1 e C2 siano correttamente dimensionati e verificati nel circuito.
Formula iniziale per il dimensionamento
Per un cablaggio simmetrico (C1 = C2 = CX) si applica la seguente formula:
CL = CX / 2 + Cstray ⇒ CX = 2 - (CL - Cstray)
La seguente regola empirica è indicata come valore di partenza in molte schede tecniche (CL e CX in pF):
CX = 2 - CL - 2 - Cstray (Cstray tipicamente 2 pF)
Dall'articolo originale, i seguenti risultati per CL = 12 pF: 2-12 - 2-2 = 20 pF. Con una dispersione media di 2 pF, l'esempio di calcolo riportato nel lessico (18 pF per lato) porta all'identico punto di funzionamento effettivo, a seconda della capacità effettiva dei pin del circuito integrato.
Fase 1: Calcolo del valore di partenza dal foglio dati
Il dimensionamento inizia sempre con due valori di scheda tecnica:
- CL del cristallo (ad esempio 8 pF, 12 pF, 16 pF, 20 pF)
- Carico capacitivo del circuito integrato a XIN/XOUT (di solito 1 - 7 pF per pin; di solito specificato nel data sheet dell'MCU come "CIN/COUT" o "CLoad")
| Quartz-CL | Cstray (tip.) | Valore iniziale CX C1/C2 | Range |
|---|---|---|---|
| 6 pF | 2 pF | 8 pF | 7 - 12 pF |
| 8 pF | 2 pF | 12 pF | 10 - 15 pF |
| 10 pF | 2 pF | 16 pF | |
| 16 pF | 15 - 18 pF | ||
| 12 pF | 2 pF | 20 pF | 18 - 22 pF |
| 12.5 pF | 2 pF | 21 pF | 18 - 22 pF |
| 16 pF | 2 pF | 28 pF | 22 - 30 pF |
| 20 pF | 2 pF | 36 pF | 33 - 39 pF |
Importante prima del dimensionamento Controllare la scheda tecnica dell'MCU per verificare la capacità dei pin specificata dal produttore per XIN/XOUT. Alcune moderne MCU a basso consumo hanno deliberatamente capacità dei pin aumentate fino a 7 pF, altre solo 1-2 pF. Calcolate il valore effettivo, non la regola empirica. | |||
Fase 2: Determinare la dispersione del PCB (metodo della variazione)
Sulla scheda di destinazione, Cstray è determinato da due misure di frequenza a diversi valori C1/C2. Questo è il metodo di laboratorio più semplice e affidabile.</p
<h3 class="text-justify">Impianto di misura
Due serie di condensatori C0G/NP0 (±2 %) di valori significativamente diversi, ad esempio 10 pF e 22 pF
Contatore di frequenza con risoluzione ≥ 0,1 ppm con riferimento esterno
Sonda FET a bassa capacità (< 1 pF)
Implementazione
Adattamento 1: C1 = C2 = C_A (ad es. 10 pF) → misurare la frequenza f_A.
Adattamento 2: C1 = C2 = C_B (ad es. 22 pF) → misurare la frequenza f_B.
Esprimere entrambe le frequenze come deviazione dalla frequenza nominale: Δf_A, Δf_B in ppm.
Determinare la deviazione dal sistema di equazioni.
Calcolo dell'equazione
Dalle due misurazioni, la sensibilità di trazione S e la capacità parassita Cstray seguono:
S = (Δf_B - Δf_A) / (CL_B_eff - CL_A_eff) [ppm/pF]
Dove CL_eff = CX/2 + Cstray. Equilibrando la sensibilità di trazione specificata (dalla scheda tecnica del cristallo) e risolvendo in base a Cstray si ottiene un valore unico. In pratica, gli sviluppatori di solito utilizzano un piccolo foglio di calcolo Excel o un'applicazione del produttore di MCU per questo scopo.
Fase 3: misurazione in circuito della capacità effettiva
Molto elegante e senza saldature: la capacità tra XIN (o XOUT) e GND viene misurata con un preciso misuratore LCR quando è spento.
Procedura di misurazione
- Alimentare la tensione a 0 V, circuito completamente disalimentato.
- Saldare (o non equipaggiare) il cristallo - solo C1, C2, il pin IC e le tracce nel percorso di misura.
- Misurare la capacità XIN → GND e XOUT → GND con un misuratore LCR (segnale di misura a 1 MHz, ≤ 100 mV).
- I valori misurati dovrebbero corrispondere ai valori CX calcolati + 1...3 pF (pin IC).
Attenzione alla misura LCR La capacità del pin IC dipende dalla tensione. La misura dell'LCR nello stato di spegnimento non fornisce quindi il valore operativo esatto. Per progetti di precisione, il metodo della frequenza (fase 2) è il riferimento più affidabile. |
Fase 4: Verifica della simmetria
Un cablaggio sbilanciato (C1 ≠ C2) peggiora il comportamento all'avviamento e la distribuzione del livello di pilotaggio. In pratica, si consiglia di:
| Parametri | Valore target | Valore limite |
|---|---|---|
| Deviazione C1 a C2 | ≤ 2 % | ≤ 5 % |
| Tolleranza C0G (NP0) | ±2 % | ±5 % |
| Tolleranza standard ceramica X7R | non consigliato | - |
| Coefficiente di tensione | ≤ 1 % a Voperazione | - |
Esempio di calcolo con il metodo della variazione
Quarto: 24.000 MHz, CL = 8 pF, sensibilità di trazione S = -20 ppm/pF (da scheda tecnica).
| Popolazione | C1 = C2 | frequenza misurata | Δf/f |
|---|---|---|---|
| Misura A | 10 pF | 24.000 042 MHz | +1,75 ppm |
| Misura B | 22 pF | 23.999 928 MHz | -3.00 ppm |
Tra i due posizionamenti, CX/2 cambia di (22-10)/2 = 6 pF. La variazione di frequenza misurata è di -4,75 ppm → S_measured = -0,79 ppm/pF - (1/6) = in realtà circa -19,8 ppm/pF, in linea con la scheda tecnica.
Con Δf_A = +1,75 ppm a CX = 10 pF: CL_eff_A = 10/2 + Cstray = 5 + Cstray. Da Δf = S - (CL_eff - CL_spec) segue CL_eff_A ≈ 8 - (1.75/-20) = 7.91 pF → Cstray ≈ 2.9 pF.
Risultato: il circuito stampato ha Cstray ≈ 2,9 pF. Valore target CX = 2-(8 - 2,9) = 10,2 pF. Un assemblaggio con 10 pF ±2 % è quindi quasi esattamente in linea con l'obiettivo.
Altre informazioni
Le formule e la relazione tra CL, C1/C2 e Cstray sono riportate nella guida pratica "Abbinare in modo ottimale i cristalli di quarzo ai circuiti integrati" (sezioni B, C e 5). Questo post mostra la misura di laboratorio con cui il calcolo viene confrontato sul PCB reale.
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