Praktyczne metody pomiarowe dla postu "Optymalizacja kryształów kwarcu dla układów scalonych" - Sekcje C i 5
Do artykułu z encyklopedii: Optymalne dopasowanie kryształów do układów scalonych
O co chodzi:
Dwa zewnętrzne kondensatory C1 i C2 na oscylatorze Pierce wraz z pasożytniczymi pojemnościami obwodu (błądzenie) określają efektywną pojemność obciążenia. Prosty wzór na wartość z arkusza danych zwykle nie jest wystarczający, ponieważ każda płytka drukowana ma indywidualny pasożyt. Ten post pokazuje, w jaki sposób C1 i C2 są prawidłowo zwymiarowane i zweryfikowane w obwodzie.
Wstępny wzór do wymiarowania
Dla symetrycznego okablowania (C1 = C2 = CX) stosuje się następujące zasady:
CL = CX / 2 + Cstray ⇒ CX = 2 - (CL - Cstray)
Następująca zasada jest podawana jako wartość początkowa w wielu arkuszach danych (CL i CX w pF):
CX = 2 - CL - 2 - Cstray (Cstray typ. 2 pF)
Z oryginalnego artykułu, następujące wyniki dla CL = 12 pF: 2-12 - 2-2 = 20 pF. Przy średnim rozproszeniu wynoszącym 2 pF, przykład obliczeniowy w leksykonie (18 pF na stronę) prowadzi do identycznego efektywnego punktu pracy - w zależności od rzeczywistej pojemności pinów układu scalonego.
>Krok 1: Obliczenie wartości początkowej z arkusza danych
Wymiarowanie zawsze rozpoczyna się od dwóch wartości z arkusza danych:
- CL kryształu (np. 8 pF, 12 pF, 16 pF, 20 pF)
- Obciążenie pojemnościowe układu scalonego przy XIN/XOUT (zwykle 1 - 7 pF na pin; zwykle określone w arkuszu danych MCU jako "CIN/COUT" lub "CLoad")
| Quartz-CL | Cstray (typ.) | CX wartość początkowa C1/C2 | Zakres |
|---|---|---|---|
| 6 pF | 2 pF | 8 pF | 7 - 12 pF |
| 8 pF | 2 pF | 12 pF | 10 - 15 pF |
| 10 pF | 2 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 |
Ważne przed wymiarowaniem Sprawdź arkusz danych MCU, aby zobaczyć, jaką pojemność pinów producent określa dla XIN/XOUT. Niektóre nowoczesne MCU o niskim poborze mocy mają celowo zwiększone pojemności pinów do 7 pF, inne tylko 1-2 pF. Obliczenia należy wykonywać na podstawie rzeczywistej wartości, a nie reguły kciuka. | |||
</figura>
Krok 2: Określ rozproszenie PCB (metoda wariacyjna)
Na płytce docelowej, Cstray jest określane przez dwa pomiary częstotliwości przy różnych wartościach C1/C2. Jest to najprostsza i najbardziej niezawodna metoda laboratoryjna.</p
<h3 class="text-justify">Ustawienia pomiarowe
Dwa zestawy kondensatorów C0G/NP0 (±2%) o znacząco różnych wartościach, np. 10 pF i 22 pF
Licznik częstotliwości o rozdzielczości ≥ 0,1 ppm z zewnętrznym odniesieniem
Sonda FET o niskiej pojemności (< 1 pF)
.
Wdrożenie
Dopasowanie 1: C1 = C2 = C_A (np. 10 pF) → zmierz częstotliwość f_A.
Dopasowanie 2: C1 = C2 = C_B (np. 22 pF) → zmierz częstotliwość f_B.
Wyraź obie częstotliwości jako odchylenie od częstotliwości nominalnej: Δf_A, Δf_B w ppm.
Wyznacz błądzenie z układu równań.
.
Równanie obliczeniowe
Z dwóch pomiarów wynika czułość na przyciąganie S i pojemność pasożytnicza Cstray:
S = (Δf_B - Δf_A) / (CL_B_eff - CL_A_eff) [ppm/pF]
Gdzie CL_eff = CX/2 + Cstray. Zrównanie określonej czułości na przyciąganie (z arkusza danych kryształu) i rozwiązanie zgodnie z Cstray daje unikalną wartość. W praktyce programiści zwykle używają do tego celu małego arkusza kalkulacyjnego Excel lub aplikacji producenta MCU.
Krok 3: Pomiar efektywnej pojemności w obwodzie
Bardzo elegancko i bez lutowania: pojemność między XIN (lub XOUT) i GND jest mierzona za pomocą precyzyjnego miernika LCR, gdy jest wyłączony.
Procedura pomiaru
- Napięcie zasilania do 0 V, obwód całkowicie odłączony od zasilania.
- Odlutuj (lub nie wyposażaj) kryształ - tylko C1, C2, pin IC i ścieżki w ścieżce pomiarowej.
- Pomiar pojemności XIN → GND i XOUT → GND za pomocą miernika LCR (sygnał pomiarowy 1 MHz, ≤ 100 mV).
- Zmierzone wartości powinny odpowiadać obliczonym wartościom CX + 1...3 pF (pin IC).
.
Uwaga przy pomiarze LCR Pojemność pinu IC jest zależna od napięcia. Dlatego pomiar LCR w stanie wyłączonym nie zapewnia dokładnej wartości roboczej. W przypadku precyzyjnych projektów, metoda częstotliwościowa (krok 2) jest bardziej wiarygodnym odniesieniem. |
Krok 4: Sprawdź symetrię
Niesymetryczne okablowanie (C1 ≠ C2) pogarsza zachowanie podczas rozruchu i rozkład poziomu wysterowania. W praktyce zalecamy:
| Parametry | Wartość docelowa | Wartość graniczna |
|---|---|---|
| Odchylenie C1 do C2 | ≤ 2 % | ≤ 5 % |
| Tolerancja C0G (NP0) | ±2 % | ±5% |
| Tolerancja standardowa ceramika X7R | Nie zalecane | - |
| Współczynnik napięcia | ≤ 1 % at Voperation | - |
.
Przykładowe obliczenia przy użyciu metody wariacji
Kwarc: 24 000 MHz, CL = 8 pF, czułość podciągania S = -20 ppm/pF (z karty katalogowej).
| Populacja | C1 = C2 | zmierzona częstotliwość | Δf/f |
|---|---|---|---|
| Pomiar A | 10 pF | 24,000 042 MHz | +1.75 ppm |
| Pomiar B | 22 pF | 23.999 928 MHz | -3.00 ppm |
.
Pomiędzy dwoma pozycjami, CX/2 zmienia się o (22-10)/2 = 6 pF. Zmierzona zmiana częstotliwości wynosi -4,75 ppm → S_measured = -0,79 ppm/pF - (1/6) = faktycznie około -19,8 ppm/pF, zgodnie z arkuszem danych.
Z Δf_A = +1,75 ppm przy CX = 10 pF: CL_eff_A = 10/2 + Cstray = 5 + Cstray. Z Δf = S - (CL_eff - CL_spec) wynika, że CL_eff_A ≈ 8 - (1,75/-20) = 7,91 pF → Cstray ≈ 2,9 pF.
Wynik: Płytka drukowana ma Cstray ≈ 2,9 pF. Wartość docelowa CX = 2-(8 - 2,9) = 10,2 pF. Zespół z 10 pF ±2% jest zatem prawie dokładnie zgodny z celem.
Dodatkowe informacje
Wzory i zależności między CL, C1/C2 i Cstray można znaleźć w praktycznym przewodniku "Optymalne dopasowanie kryształów kwarcu do układów scalonych" (sekcje B, C i 5). Ten post pokazuje pomiary laboratoryjne, z którymi obliczenia są porównywane na rzeczywistej płytce drukowanej.
Masz pytania dotyczące implementacji
Nasi eksperci ds. częstotliwości pomogą w wyborze odpowiedniego kwarcu, pomiarach w obwodzie i wsparciu projektowym aż do wydania seryjnego.
- Zażądaj porady technicznej
- Przedyskutuj z nami swoją aplikację
- Zdefiniuj i zamów przykładowy kryształ
- Zażądaj alternatywy poprzez odniesienie
.
Telefon: +49 8191 305395 Email: info@petermann-technik.de
Twój sukces jest naszym celem.
