Перейти к содержанию

Часовой кварц 32 768 Гц

Почти в каждых часах реального времени стоит кварц на 32 768 Гц. Это камертонный резонатор, совсем не похожий на кварцы на мегагерцы: большое сопротивление потерь, крошечная допустимая мощность и частота, которая уходит с температурой по параболе.

Обновлено Редакция GAW

Часовой кварц (watch crystal) — кварцевый резонатор на 32 768 Гц, применяемый в часах реального времени (RTC) и низкочастотных генераторах микроконтроллеров. Частота выбрана не случайно: 32 768 = 215, и 15-разрядный двоичный делитель даёт из неё ровно 1 Гц. Microchip в AN2648 отмечает, что кристаллы на 32,768 кГц обычно вырезаны в форме камертона, — поэтому их называют камертонными.

Чем отличается от кварцев на мегагерцы

ПараметрAbracon ABS07 (32 768 Гц)
Нагрузочная ёмкость CL12,5 пФ стандартно, варианты 9, 7, 6 пФ
ESRдо 70 кОм
Собственная ёмкость C00,9–1,2 пФ тип., до 2 пФ
Уровень возбуждения0,1 мкВт тип., 0,5 мкВт макс.
Допуск при 25 °C±20 ppm

Сопротивление потерь в десятки килоом, а генераторы микроконтроллеров для часовых кварцев сделаны экономичными: у LSE STM32F103 крутизна всего от 5 мкА/В. Поэтому выбор кварца важнее, чем на мегагерцах. ATmega328P рекомендует ESR не больше 75 кОм при CL 6,5 пФ, 65 кОм при 9 пФ и 30 кОм при 12,5 пФ; ST в даташите STM32F103 советует кварцы с CL не больше 7 пФ. Почему — показывает расчёт запаса по усилению.

Температурная парабола

Камертонный кварц точнее всего около 25 °C, а выше и ниже частота падает по параболе (AN2648, ур. 1-5):

f=f0(1+B (T−T0)2),B≈−0,036 ppm/°C2 (ABS07).f = f_0 \left(1 + B \, (T - T_0)^2\right), \qquad B \approx -0{,}036\ \text{ppm/°C}^2 \ \text{(ABS07)}.

При 0 °C, на 25 °C ниже вершины, уход −0,036 · 25² = −22,5 ppm — по нашему расчёту почти 2 с в сутки. Поэтому точность часов оценивают во всём рабочем диапазоне температур, а не только при 25 °C.

Не путать с кварцами на мегагерцы: у тех ESR на порядки меньше — у Abracon ABM3 не больше 40–140 Ом в зависимости от частоты, — кристалл не камертонный и другой генератор микроконтроллера (HSE против LSE). Схема, разводка и проверка запуска — в статье «Кварцевый генератор микроконтроллера», конденсаторы для любого кварца считает калькулятор конденсаторов кварца.

Частые вопросы

Почему часовой кварц именно 32 768 Гц?

Потому что 32 768 = 2¹⁵. Пятнадцать делений частоты на 2 — то есть 15-разрядный двоичный счётчик — дают ровно один импульс в секунду. Поэтому такие кварцы ставят в часы реального времени и таймеры микроконтроллеров.

Какие конденсаторы ставить к часовому кварцу?

Это зависит от нагрузочной ёмкости кварца и микроконтроллера. У ATmega328P внутренняя ёмкость выводов уже есть, и для кварца с CL до 6 пФ внешние конденсаторы не нужны. У STM32F103 ST советует брать кварц с CL не больше 7 пФ: с типичной паразитной ёмкостью 2 пФ это по 2·(6 − 2) = 8 пФ для кварца на 6 пФ.

Насколько уходят часы на часовом кварце?

Складываются допуск при 25 °C (у Abracon ABS07 ±20 ppm) и температурная парабола: при −0,036 ppm/°C² на 25 °C ниже вершины уход −22,5 ppm. По нашему расчёту 1 ppm — это 0,086 с в сутки, так что −22,5 ppm при 0 °C — почти 2 с в сутки.

Источники

  1. Microchip. AN2648: Selecting and Testing 32.768 kHz Crystal Oscillators for AVR Microcontrollers (DS00002648D, 2022) — кристаллы 32,768 кГц обычно вырезаны в форме камертона; разд. 1.7, ур. 1-5: f = f0·(1 + B·(T − T0)²), номинал обычно при 25 °C, коэффициент B из даташита, как правило отрицательный; частота кварца влияет на время запуска, для 32,768 кГц она фиксирована
  2. Abracon. ABS07 32.768kHz SMD Crystal (revised 08-10-22) — CL 12,5 пФ стандартно, варианты 9, 7 и 6 пФ; ESR не больше 70 кОм; C0 0,9–1,2 пФ тип., 2,0 пФ макс.; уровень возбуждения 0,1 мкВт тип., 0,5 мкВт макс.; допуск ±20 ppm; −0,036 ppm/°C² тип.; вершина параболы 25 ± 5 °C
  3. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet (DS40002061B) — разд. 9.5, табл. 9-7: наибольшее ESR (типовое по характеризации) 75 кОм при CL 6,5 пФ, 65 кОм при 9 пФ, 30 кОм при 12,5 пФ; табл. 9-8: внутренняя ёмкость выводов TOSC 18 и 8 пФ; кварцам с CL больше 6 пФ нужны внешние конденсаторы, Ce + Ci = 2·CL − Cs
  4. Abracon. ABM3 Ceramic SMD Crystal (revised 04-25-22) — ESR не больше 140 Ом (8–9 МГц), 60 Ом (10–16 МГц), 40 Ом (16–20 МГц)
  5. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319 Rev 20, July 2025) — табл. 23: LSE — крутизна не меньше 5 мкА/В, CL1/CL2 5–15 пФ, паразитная ёмкость 2–7 пФ; предупреждение: брать кварцы с CL не больше 7 пФ, кварцы на 12,5 пФ не использовать

Нашли ошибку?

Смотрите также