Dlaczego mój kryształ 32,768 kHz nie rezonuje?

Analiza przyczyn źródłowych i rozwiązania najczęstszych problemów w programowaniu wbudowanym

Problem, który zna każdy programista

Układ jest w pełni zmontowany, mikrokontroler uruchamia się - ale zegar czasu rzeczywistego nie działa. Kryształ 32,768 kHz nie oscyluje. Albo jeszcze gorzej: czasami oscyluje, a czasami nie. Albo oscyluje, ale potem sporadycznie przestaje.

Problem ten jest jednym z najczęstszych i jednocześnie najbardziej frustrujących wzorców błędów w programowaniu wbudowanym. Kryształ zegara 32,768 kHz jest elektrycznie wrażliwym komponentem, który działa w połączeniu ze słabym obwodem oscylatora - a ta interakcja może zostać zakłócona przez wiele czynników.

Niniejszy artykuł systematycznie analizuje najczęstsze przyczyny problemów z oscylacją kryształów kwarcu 32,768 kHz i przedstawia konkretne praktyczne rozwiązania.

Obwód oscylatora w mikrokontrolerze musi generować wystarczającą ilość energii, aby kwarc oscylował. Wartość ujemnej rezystancji (|-R|) obwodu oscylatora musi być znacznie większa niż ESR kryształu. Stosunek ten jest określany jako margines oscylacji:

Margines oscylacji = |-R| / ESR

Współczynnik ten powinien wynosić co najmniej 5, a najlepiej 10 lub więcej. Jeśli jest niższy niż 3, oscylacja jest niebezpieczna. W sektorze motoryzacyjnym zazwyczaj wymagany jest współczynnik SF >=10.

W przeciwieństwie do kryształów MHz (typowy ESR: 20-60 Ω), kryształy 32,768 kHz mają ESR w zakresie kiloomów:

Jednocześnie stopnie oscylatora 32 768 kHz w nowoczesnych MCU są celowo zoptymalizowane pod kątem minimalnego zużycia energii. Typowa ujemna rezystancja w wielu MCU o niskim poborze mocy wynosi tylko 200-500 kΩ.

Pojemność obciążenia to całkowita pojemność, którą kryształ "widzi" na swoich zaciskach:

CL = (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

Gdzie C1, C2 to zewnętrzne kondensatory obciążenia (jeśli są obecne), a Cstray to pojemność pasożytnicza (przewody PCB, styki układu scalonego, zwykle 1-5 pF).

• Zbyt niska pojemność obciążenia: Kryształ nie otrzymuje wystarczającej energii zwrotnej → oscylacja może się nie powieść.
• Zbyt wysoka pojemność obciążenia: Amplituda oscylacji jest tłumiona, częstotliwość przesuwa się w dół, a zużycie energii wzrasta.

• Zbyt długie ścieżki: Każdy milimetr dodaje pasożytniczą pojemność (ok. 0,5-1 pF/cm).
• Sygnały cyfrowe w pobliżu: Linie zegara lub magistrale SPI powodują zakłócenia.
• Płaszczyzna uziemienia bezpośrednio pod kryształem: Zwiększa pojemność pasożytniczą w wielowarstwowych płytkach drukowanych.
• Przelotki w obszarze kryształu: Działają jak anteny zakłócające.
• Pozostałości topnika i wilgoć: Powodują prądy upływu - zwiększone w niskich temperaturach.

Wiele obwodów oscylatora MCU wymaga rezystora sprzężenia zwrotnego o wysokiej impedancji (Rf ) równolegle z kryształem (zwykle 5-15 MΩ). Wzmacnia on stopień inwertera w jego liniowym zakresie roboczym. Niektóre MCU mają ten rezystor wewnętrznie (STM32, nRF52, ESP32), inne wymagają go zewnętrznie (niektóre warianty MSP430, niektóre 8-bitowe MCU).

Kryształ kamertonu o częstotliwości 32,768 kHz jest przeznaczony do pracy z maksymalną mocą wysterowania wynoszącą zazwyczaj 0,5-1,0 µW. Przekroczenie tej wartości prowadzi do dryftu częstotliwości, przyspieszonego starzenia, a w skrajnych przypadkach do mechanicznego uszkodzenia rezonatora.

W praktyce przeciążenie występuje, jeśli nie ma rezystora szeregowego (Rd) do ograniczenia.