Perché il mio cristallo da 32.768 kHz non risuona?

Analisi delle cause e soluzioni per il problema più comune nello sviluppo embedded

Il problema che ogni sviluppatore conosce

Il circuito è completamente assemblato, il microcontrollore si avvia, ma l'orologio in tempo reale non funziona. Il cristallo da 32.768 kHz non oscilla. O peggio ancora: a volte oscilla e a volte no. Oppure oscilla, ma poi si ferma sporadicamente.

Questo problema è uno degli errori più frequenti e allo stesso tempo più frustranti nello sviluppo embedded. Il cristallo di clock a 32.768 kHz è un componente elettricamente sensibile che lavora insieme a un circuito oscillatore debole e questa interazione può essere disturbata da numerosi fattori.

Questo articolo analizza sistematicamente le cause più comuni dei problemi di oscillazione dei cristalli di quarzo a 32.768 kHz e fornisce soluzioni pratiche specifiche.

Il circuito oscillatore del microcontrollore deve generare energia sufficiente a far oscillare il quarzo. Il valore della resistenza negativa (|-R|) del circuito oscillatore deve essere significativamente maggiore della VES del cristallo. Questo rapporto viene definito margine di oscillazione:

Margine di oscillazione = |-R| / ESR

Questo fattore deve essere almeno 5, preferibilmente 10 o superiore. Se è inferiore a 3, l'oscillazione non è sicura. Nel settore automobilistico è generalmente richiesto un SF >=10.

A differenza dei cristalli a MHz (ESR tipica: 20-60 Ω), i cristalli a 32,768 kHz hanno una ESR nell'ordine dei kiloohm:

Allo stesso tempo, gli stadi oscillatori a 32.768 kHz delle moderne MCU sono volutamente ottimizzati per ridurre al minimo il consumo energetico. La resistenza negativa tipica di molte MCU a basso consumo è di soli 200-500 kΩ.

La capacità di carico è la capacità totale che il cristallo "vede" ai suoi terminali:

CL = (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

Dove C1, C2 sono i condensatori di carico esterni (se presenti) e Cstray è la capacità parassita (cavi della scheda, pin del circuito integrato, in genere 1-5 pF).

• Capacità di carico troppo bassa: il cristallo non riceve un feedback energetico sufficiente → l'oscillazione può fallire.
• Capacità di carico troppo alta: l'ampiezza dell'oscillazione viene smorzata, la frequenza si sposta verso il basso e il consumo di energia aumenta.

• Tracce troppo lunghe: Ogni millimetro aggiunge capacità parassita (circa 0,5-1 pF/cm).
• Segnali digitali nelle vicinanze: Le linee di clock o i bus SPI provocano interferenze.
• Piano di terra direttamente sotto il cristallo: aumenta la capacità parassita nei PCB multistrato.
• Vias nell'area del cristallo: agiscono come antenne di interferenza.
• Residui di flusso e umidità: causano correnti di dispersione, che aumentano a basse temperature.

Molti circuiti di oscillatori MCU richiedono una resistenza di retroazione ad alta impedenza (Rf) in parallelo al cristallo (in genere 5-15 MΩ). Questo resistore polarizza lo stadio dell'inverter nella sua gamma di funzionamento lineare. Alcuni MCU hanno questa resistenza internamente (STM32, nRF52, ESP32), altri la richiedono esternamente (alcune varianti di MSP430, alcuni MCU a 8 bit).

Il cristallo a diapason da 32.768 kHz è specificato per una potenza massima di pilotaggio pari a 0,5-1,0 µW. Il superamento di tale valore comporta una deriva della frequenza, un invecchiamento accelerato e, in casi estremi, la rottura meccanica del risonatore.

In pratica, il sovraccarico si verifica se non c'è una resistenza in serie (Rd) per la limitazione.