[Conv 0]

Столкнулся с проблемой запуска встроенного в PIC-контроллер генератора на кварце 36 кГц. Решил рассмотреть проблему с теоретической стороны, чтобы понять, как преодолеть проблему.

 

Открываю Multisim и вижу в нём к примеру модель R38-32.768kHz, открываю параметры модели и вижу вот такое:

 

* EWB Version 4 - CRYSTAL Model

* LS= 0.007 CS= 3.5e-015 RS= 18000 CO= 1.7e-012

LS 1 3 0.007

CS 3 4 3.5e-015

RS 4 2 18000

CO 1 2 1.7e-012

 

Прошу обратить внимание на 2 обстоятельства.

 

1) RS = 18 k !!!!!!!!!!

2) Анализ индуктивно-ёмкостных параметров показывает, что последовательный резонанс модели лежит выше 20 МГц (модель неверная?).

 

Я попытался выставить параметры LS и CS так, чтобы частота последовательного резонанса хотя бы приблизительно соответствовала 32768. При этом, чтобы резонанс был хорошо виден, я уменьшил RS до 1 Ома:

 

* EWB Version 4 - CRYSTAL Model

* LS= 0.007 CS= 3.5e-015 RS= 18000 CO= 1.7e-012

LS 1 3 0.7

CS 3 4 3.35e-011

RS 4 2 1

CO 1 2 1.7e-012

 

Теперь, если включить кварц по вот такой схеме:

,

 

то АЧХ будет вот такой:

.

 

Но если восстановить значение RS до исходного, то получится вот такая штука:

.

 

Как и следовало ожидать, добротность контура резко ухудшилась.

 

Реальный генератор на кварце 36 кГц не запускается или запускается через пень-колоду.

В параметрах реальных кварцев RS ставят даже хуже, чем 18k, есть и 35k.

 

Так как генераторы вообще могут работать при таких параметрах? Тем более, держать стабильную частоту? Что-то не то в моделях.

У моделей кварцев на мегагерцовый диапазон - всё нормально в параметрах. Например:

 

* EWB Version 4 - CRYSTAL Model

* LS= 1.6 CS= 7e-015 RS= 500 CO= 4e-012

LS 1 3 1.6

CS 3 4 7e-015

RS 4 2 500

CO 1 2 4e-012

 

Хотя RS 500 Ом, это всё же не 18 k и более.

 

Хотелось бы услышать кого-то. кто успешно делает кварцевые генераторы на частоты порядка 32768.

[Jurenja 1]

А откуда такая схема измерения параметров кварцевого резонатора? Правильно использовать в AC анализе источник тока, включенный параллельно резонатору.

Схема Пирса прекрасно работает с часовыми кварцами. Возможно параметры схемы генератора контроллера непригодны для использования вместе с часовыми кварцами. При моделировании в tran анализе нужно ограничивать максимальный шаг моделирования на уровне не более ~1/100...1/200 от периода сигнала. И параметр точности reltol нужно делать на несколько порядков меньше.

[Conv 0]

Я не параметры измеряю, схема дана для наглядности. Поскольку в модели используются обыкновенные конденсаторы и катушка индуктивности. Источник напряжения с большим сопротивлением на выходе - это почти что источник тока.

 

Ну да, ну да, схема Пирса. Она самая.

 

Для встроенного таймера используется абсолютно тот же участок чипа, если можно так выразиться, на те же контакты часовой кварц вешается.

У меня получилось так, что на одном и том же PIC работали 3 варианта реализации при одной и той же схеме. А вот 4-й вариант вдруг заартачился.

 

Вот поэтому я и заинтересовался, что может быть не так.

 

Я, кстати, поставил для контроля кварц на 10 МГц - и всё завелось с полпинка.

Изменено 11 сентября, 2015 пользователем Navuhodonosor

[Jurenja 1]

Источник напряжения с большим сопротивлением на выходе - это почти что источник тока.

В вашей тестовой схеме резистор 18 кОм, а для часового кварца это практически закоротка.

Я, кстати, поставил для контроля кварц на 10 МГц - и всё завелось с полпинка.

А какие кварцы для этого контроллера "разрешены" в даташите?

 

[Conv 0]

В вашей тестовой схеме резистор 18 кОм, а для часового кварца это практически закоротка.

А какие кварцы для этого контроллера "разрешены" в даташите?

Почему закоротка? У него в параметрах написано RS = 18 k. Так что такое же. А что, инвертор, который стоит внутри чипа - это источник тока? По-моему, нет.

 

По частотам нет ничего внятного в даташите. Есть только упоминание в одном месте, что мол для PLL неплохо подавать от 4 МГц. Однако у меня работало и на 36 кГц.

 

Как уже написал, для таймера использоуется абсолютно тот же встроенный инвертор. Меняется только схема управления, биты управления.

 

[Jurenja 1]

Почему закоротка? У него в параметрах написано RS = 18 k. Так что такое же. А что, инвертор, который стоит внутри чипа - это источник тока? По-моему, нет.

Если пытаться с помощью источника напряжения и последовательного резистора иммитировать источник тока, то сопротивление этого резистора д.б. хотя бы на несколько порядков больше сопротивления исследуемой цепи. RS в параметрах кварцевого резонатора это сопротивление потерь. Его величина, совместно с другими параметрами эквивалентной схемы, влияет на добротность резонатора. Но эта величина никак не определяет какое сопротивление правильно применять в вашей тестовой схеме при моделировании частотных свойств резонатора.

Инвертор в схеме Пирса играет роль ОТА - операционный трансимпедансный усилитель. Это такой усилитель, у которого входным сигналом является напряжение, а выходным - ток. Да, n- и p-канальные транзисторы в инверторе с т.зр. аналоговых схем являются источниками тока.

По частотам нет ничего внятного в даташите. Есть только упоминание в одном месте, что мол для PLL неплохо подавать от 4 МГц. Однако у меня работало и на 36 кГц.

Как уже написал, для таймера использоуется абсолютно тот же встроенный инвертор. Меняется только схема управления, биты управления.

Всё-таки в даташите написана минимальная частота для резонатора. Всё частоты, которые меньше - это ваши риски. Кроме параметров инвертора на работу генератора влияет величина резистора обратной связи и емкости на входе и выходе инвертора. Если резистор встроенный, то увеличить его величину вы не сможете. А для часовых кварцев величина этого резистора обычно большая - единицы, десятки и более МОм.

 

[Conv 0]

Это всё замечательно, но не даёт ответа на вопрос, почему реализация №4 не работает.

 

Насчёт рисков.

Если бы тот же узел не использовался для кварца 32768, то я бы мог допустить, что схема не работает в принцие на таких частотах.

Я пробовал запустить таймер, результат - аналогичный.

 

Параметры кварца в исходной базе Multisim правильные или что это такое?

 

Хорошо, вот результат с источником тока с модифицированными мною параметрами:

 

Те же ***, только в профиль.

 

А вот - для исходных параметров кварца из базы:

 

.

 

Как говорится, судите сами.

 

Либо модель не верна, либо параметры.

[Jurenja 1]

Какой у вас шаг по частоте в AC анализе?

Скорее всего слишком большой. Если добротность часового кварца ~100к, то ширина всплеска на АЧХ на резонансной частоте будет ~32768кГц/100К ~=0.3 Гц (!)

Если какая-то реализация не работает, то это значит что не выполнены условия возбуждения генератора. Причин много.

[Conv 0]

Какой у вас шаг по частоте в AC анализе?

Скорее всего слишком большой. Если добротность часового кварца ~100к, то ширина всплеска на АЧХ на резонансной частоте будет ~32768кГц/100К ~=0.3 Гц (!)

Если какая-то реализация не работает, то это значит что не выполнены условия возбуждения генератора. Причин много.

Ну какая может быть добротность при RS=18 кОм и при таких параметрах LS и CS? Смешная. Посчитайте на досуге по данным, что я привожу.

 

У меня получается типа 8.

 

Модель неверная. Я потому и спрашиваю, кто-нибудь моделировал это? Получал на модели генерацию? А не общие рассуждения.

 

[Jurenja 1]

Тоже посчитал добротность, по вашим данным.

Q=Zcs/RS

Zcs=1/(F*CS)

Q=1/(R*F*CS)=1/(18e3*32768*3.5e-15)=1/(2064384e-12)=1/2.06e-6=0.48e6= 480000 (четыреста восемьдесят тысяч). Как у вас получилось 8?

 

PS. Моделировал. Получал генерацию. И на моделировании, и в жизни.

PS2. Модель вполне верная.

 

PS3. В формуле пропустил 2PI: Zcs=1/(2*3.14*F*CS), поэтому результат будет не 480000, а ~77000. Виноват, немного ошибся...

[Conv 0]

Тоже посчитал добротность, по вашим данным.

Q=Zcs/RS

Zcs=1/(F*CS)

Q=1/(R*F*CS)=1/(18e3*32768*3.5e-15)=1/(2064384e-12)=1/2.06e-6=0.48e6= 480000 (четыреста восемьдесят тысяч). Как у вас получилось 8?

 

PS. Моделировал. Получал генерацию. И на моделировании, и в жизни.

PS2. Модель вполне верная.

 

PS3. В формуле пропустил 2PI: Zcs=1/(2*3.14*F*CS), поэтому результат будет не 480000, а ~77000. Виноват, немного ошибся...

 

Как я показал, да и можно посчитать из данных модели, частота настройки предложенной модели не 32768, а районе 30 МГц (создатели модели не ошиблись ли в порядке?), т.е. в 1000 раз меньше. И вообще, характеристическое сопротивление лучше считать через LC. Сразу получается на резонансе.

 

У Вас, если были расчёты, то можете дать свою модель кварца?

[Jurenja 1]

Извиняюсь что не заметил сразу - в вашей модели неестественно малое значение индуктивности LS, оно должно быть намного больше. Можно опираться на модель из этого файла: http://robustdesignconcepts.com/files/pspice/libs/xtal.lib . С этой моделью частота будет достаточно близка к ожидаемой.

 

PS. Вот еще нашел документ про часовой кварц: http://digitalcommons.calpoly.edu/cgi/view...mp;context=eesp. Там есть модель резонатора на 32768 Гц, параметры модели немного отличаются от параметров в первом источнике. Также там рассматривается схема генератора Колпитца, но не рассматривается генератор Пирса.

[Alexashka 0]

В схеме Пирса кварц должен быть нагружен, только так получается нужный сдвиг в 180* на нем. К кварцу подключается источник напряжения - выход инвертора обычно, и вход этого же инвертора (высокое сопротивление R6). В итоге даже с 11 килоомами последовательного сопротивления кварц вполне себе работает, при этом добротность порядка 80тыс.

[Conv 0]

Спасибо Alexashka и Jurenja!

 

Я попробую ваши модели.

 

Сегодня стало допирать, в чём дело. Видимо, имелась какая-то доп. обратная связь, когда генерация была, которой я не учитываю при расчётах. Причём это была паразитная обратная связь. Попытался искусственно создать эту связь - генерация появилась. Потом стал приводить всё в приемлемый внешний вид - генерация пропала.

 

Попробую на модели создать эту связь.

 

Насчёт фазы - это верно. Подозреваю, что сдвиг фаз далёк от 180.

 

Вот, попробовал первую модель. Отличная! Есть и последовательный резонанс, и параллельный. Ковыряю дальше.

Изменено 15 сентября, 2015 пользователем Navuhodonosor

[Alexashka 0]

Видимо, имелась какая-то доп. обратная связь, когда генерация была, которой я не учитываю при расчётах. Причём это была паразитная обратная связь. Попытался искусственно создать эту связь - генерация появилась. Потом стал приводить всё в приемлемый внешний вид - генерация пропала.

Кстати часто встречал в обвязке микросхем резистор порядка 10МОм параллельно кварцу (и именно для 32768), насколько я понимаю он нужен для обеспечения хорошего линейного режима работы инвертора (а он (режим) нужен как раз для старта генерации). Возможно изза грязи на плате он (резистор) и образовывался.

ЗЫ. Да и еще можно попробовать уменьшить нагрузочные емкости.