Кварцевый генератор микроконтроллера

Схема

Кварц оценивают тремя параметрами из его даташита: нагрузочной ёмкостью CL, на которую он настроен, максимальным эквивалентным сопротивлением ESR и ёмкостью корпуса C0. Генератор микроконтроллера — крутизной усилителя gm. Резистор REXT ограничивает мощность в кварце; он нужен не всегда.

Нагрузочная ёмкость

Для кварца конденсаторы C1 и C2 включены последовательно, а параллельно им — ёмкость выводов и дорожек Cs:

Если нагрузка меньше CL, кварц работает выше номинальной частоты, если больше — ниже. Для STM32F103 ST предлагает брать Cs около 10 пФ как грубую оценку ёмкости выводов и платы и советует конденсаторы 5–25 пФ (DS5319, табл. 22).

Запас по усилению

Чтобы генерация уверенно запускалась при любом экземпляре кварца, температуре и напряжении, крутизна генератора должна быть хотя бы в 5 раз больше критической (AN2867, разд. 3.4):

В формулу подставляют максимальное ESR из даташита кварца. Если в даташите микроконтроллера вместо gm указан Gm_crit_max, то gm_crit кварца должна быть меньше его — это то же условие, ведь Gm_crit_max = gm / 5. У ATmega328P крутизна не нормирована: даташит даёт только диапазон конденсаторов, а запас проверяют измерением.

Пример: STM32F103 и кварц 8 МГц

Кварц Abracon ABM3 на 8 МГц: CL = 18 пФ, ESR до 140 Ом, C0 до 7 пФ, мощность возбуждения до 100 мкВт.

1. Конденсаторы. C₁ = C₂ = 2 · (18 − 10) = 16 пФ, ближайший номинал ряда E12 — 15 пФ. Нагрузка 15/2 + 10 = 17,5 пФ: на 0,5 пФ меньше нужной, кварц уйдёт немного вверх по частоте.
2. Критическая крутизна. g_mcrit = 4 · 140 · (2π · 8 · 10⁶)² · (25 · 10⁻¹²)² = 0,88 мА/В.
3. Запас. HSE генератор STM32F103 даёт при запуске не меньше 25 мА/В (табл. 22): 25/0,88 = 28, больше 5. Генератор запустится примерно за 2 мс.

Калькулятор открыт с этим примером; подставьте параметры своего кварца:

Для сравнения: в AN2867 ST разбирает кварц 8 МГц с ESR 80 Ом, C0 = 7 пФ и CL = 10 пФ — критическая крутизна 0,23 мА/В и запас 107. Кварц с меньшими CL и ESR облегчает работу генератору, большой запас нужен для холода, старения кварца и влаги на плате.

Мощность возбуждения и REXT

Мощность, рассеиваемая в кварце, DL = ESR · I_Q², где I_Q — действующий ток через кварц (AN2867, разд. 3.5). Её ограничивает даташит кварца — у ABM3 до 100 мкВт: перевозбуждение ускоряет старение, сдвигает частоту и может разрушить кристалл (Microchip AN826). Ток меряют токовым пробником или вычисляют по размаху напряжения на OSC_IN, измеренному щупом с ёмкостью не больше 1 пФ. Если мощность больше допустимой, ставят REXT; начальное значение — реактивное сопротивление C2: R_EXT = 1/(2πFC₂), для 8 МГц и 15 пФ это 1,3 кОм. После этого gm_crit пересчитывают с суммой ESR + REXT: запас по усилению должен остаться не меньше 5.

Часовой кварц 32 768 Гц

Генератор LSE работает на микроамперах, и запас по усилению у него маленький. У STM32F103 крутизна LSE — не меньше 5 мкА/В, а ST в даташите требует кварц с нагрузочной ёмкостью не больше 7 пФ и запрещает кварцы на 12,5 пФ; Cstray у этого генератора — 2–7 пФ, конденсаторы — 5–15 пФ (DS5319, табл. 23).

Возьмём ABS07 в варианте с CL = 6 пФ: ESR до 70 кОм, C0 до 2 пФ. При Cstray = 2 пФ конденсаторы 2 · (6 − 2) = 8 пФ, ближайший номинал 8,2 пФ. Критическая крутизна:

запас 5/0,76 = 6,6. Тот же кварц в стандартном исполнении с CL = 12,5 пФ даёт g_mcrit = 2,5 мкА/В и запас 2 — генератор может не запуститься. У ST есть и вторая причина: для CL = 12,5 пФ при Cstray 2 пФ нужны конденсаторы по 2 · (12,5 − 2) = 21 пФ, а для LSE STM32F103 их предел — 15 пФ (DS5319, примечание к табл. 23). Запуск часового кварца — секунды: ST в AN2867 называет 1–5 с.

У ATmega328P часовой генератор оптимизирован под минимальный ток: Microchip ограничивает ESR кварца 75 кОм при CL = 6,5 пФ, 65 кОм при 9 пФ и 30 кОм при 12,5 пФ (табл. 9-7, типичные значения по характеризации). Выводы TOSC1 и TOSC2 сами дают 18 и 8 пФ (табл. 9-8), поэтому кварцу с CL до 6 пФ внешние конденсаторы не нужны, а для большей CL их подбирают так, чтобы C_e + C_i = 2C_L − C_s на каждом выводе. ABS07 с ESR до 70 кОм укладывается в эти пределы в вариантах с CL = 6 и 7 пФ (для 7 пФ — по интерполяции таблицы, около 73 кОм); с CL 9 и 12,5 пФ — уже нет. Значения таблицы типичные, поэтому запас проверяют на плате.

Точность часов

Отклонение частоты 1 ppm — это 0,086 с в сутки. Его складывают из допуска кварца при 25 °C (у ABS07 ±20 ppm), разброса нагрузки и температуры. Камертонный кварц имеет параболическую зависимость частоты от температуры с вершиной около 25 °C (Microchip AN2648, разд. 1.7): у ABS07 коэффициент −0,036 ppm/°C², и при 0 °C уход −0,036 · 25² = −22,5 ppm — почти 2 с в сутки. Чувствительность к нагрузке ST в AN2867 (разд. 3.7) показывает на примере: кварц с чувствительностью 45 ppm/пФ и конденсаторы 7 пФ с допуском ±5 % дают разброс ±0,175 пФ, то есть около 7,8 ppm — 0,7 с в сутки.

Проверка запаса генерации

Запас проверяют на готовой плате: последовательно с кварцем включают переменный резистор RADD и увеличивают его, пока генератор не перестанет запускаться после включения питания (AN2867, разд. 3.8; AN2648, разд. 3.2). Коэффициент безопасности S_f = (R_ADD + ESR)/ESR. ST считает генерацию надёжной при Sf от 5 для HSE и от 3 для LSE; Microchip для часовых генераторов AVR оценивает Sf больше 5 как отличный, 4 — очень хороший, 3 — хороший, ниже 3 — не рекомендуемый. Потенциометр берут с диапазоном от ESR до 5 ESR, после каждого шага питание выключают и включают снова.

Частоту при этом смотрят не на выводах кварца: щуп 10X добавляет 10–15 пФ и сам сдвигает частоту или срывает генерацию (AN2648, разд. 3.1). Её выводят на обычный вывод — MCO у STM32, CLKO у AVR — и измеряют там.

ATmega328P

Для кварцев 0,9–16 МГц экономичного генератора и 0,4–20 МГц генератора с полным размахом даташит рекомендует одинаковые C1 и C2 по 12–22 пФ (табл. 9-3 и 9-5). Экономичный генератор даёт на XTAL2 уменьшенный размах и чувствительнее к помехам; генератор с полным размахом работает от 2,7 до 5,5 В и подходит для шумных условий (разд. 9.3 и 9.4). Для кварца 16 МГц с CL = 18 пФ и Cs около 5 пФ получается 2 · (18 − 5) = 26 пФ — больше рекомендованного диапазона; лучше взять кварц с CL = 12 пФ: 2 · (12 − 5) = 14, номинал 15 пФ. Режим генератора и задержку запуска задают фьюзы — их удобно собрать в калькуляторе фьюзов AVR.

Разводка

• Кварц и конденсаторы — как можно ближе к выводам, дорожки короткие и одинаковые. Длинная дорожка работает как антенна и добавляет ёмкость (AN2867, разд. 7.1).
• Под генератором — отдельный участок земли, соединённый с ближайшим выводом земли микроконтроллера, вокруг — охранное кольцо. Металлический корпус кварца с этой землёй не соединяют.
• Не ведите рядом и под кварцем сигнальные дорожки, особенно тактовые линии (AN2648, разд. 2).
• Плату чистят от флюса и покрывают лаком, особенно часовой узел: влага и утечки увеличивают время запуска и срывают генерацию.
• Конденсаторы — керамика C0G (NP0): их ёмкость не зависит от температуры и напряжения.

Детали

Варианты

• Керамический резонатор вместо кварца дешевле и запускается быстрее, но его добротность ниже и частота сильнее зависит от нагрузки (AN2648, разд. 1.5). Конденсаторы для него берут строго по даташиту резонатора, у части резонаторов они встроены (DS5319, рис. 24).
• Внешний тактовый сигнал подают на OSC_IN у STM32 (DS5319, табл. 20) или на XTAL1 у AVR — так делают, когда одна частота нужна нескольким микросхемам.
• Без кварца. Встроенные RC-генераторы заметно менее точны и сильнее зависят от температуры: для UART этого хватает не всегда, для USB и часов реального времени обычно нет. Тактовое дерево STM32 удобно настроить в калькуляторе тактирования STM32.

Почему не работает

• Генератор не запускается или запускается через раз. Мал запас по усилению: кварц с большими CL или ESR, конденсаторы сильно больше расчётных. Пересчитайте gm_crit по максимальному ESR.
• Часовой кварц STM32F103 не стартует. Кварц на 12,5 пФ, флюс или влага на плате; проверьте и время — запуск занимает секунды, а на холоде дольше.
• Частота сдвинута на десятки ppm. Нагрузка не равна CL: пересчитайте Cs по своей плате или подберите конденсаторы по измеренной частоте.
• Кварц работает на гармонике. Большие паразитные ёмкости и индуктивности длинных дорожек (AN2867, разд. 7.1) или кварц на третьей гармонике: генераторы STM32 рассчитаны только на основную (разд. 3.9.3).
• Генерация пропадает при касании платы. Высокоомная цепь часового генератора: не хватает охранного кольца или покрытия.
• Кварц перестал работать через несколько месяцев. Перевозбуждение: проверьте мощность и поставьте REXT.