Wie teste ich einen Kristallresonator an Bord?

Wie ich sehe, wurde keine Antwort akzeptiert. Lassen Sie mich eine andere Antwort geben.

Die meisten modernen ICs verwenden sogenannte Pierce-Oszillatoren , um mithilfe von Quarzen stabile Takte zu erzeugen. Hier ist die Konfiguration der Hauptschaltung:

Wie man sehen kann, ist die Schaltung nicht symmetrisch: Die rechte Seite ist der Ausgang eines Treibers (normalerweise als XO bezeichnet) und die linke Seite ist der Eingang eines invertierenden Verstärkers (normalerweise als XI bezeichnet). Daher ist es relativ sicher, das XO-Ende (Ausgang) zu prüfen, vorausgesetzt, dass die Sonde eine relativ hohe Impedanz hat. Eine übliche passive 1:10-Sonde mit 1 M Eingangsimpedanz sollte die Arbeit erledigen. In der Praxis wird der Ausgangstreiber im Schaltungsverstärker absichtlich schwach gemacht, typischerweise nicht mehr als 1mA belastbar, um zu verhindern, dass Xtal übersteuert wird, aber 1mA sollte gut genug sein, um eine 1M-Oszilloskopsonde zu treiben.

Die Kapazität der Sondenspitze kann die Oszillationsfrequenz um 20–50 ppm verschieben, da sie die Schaltungsabstimmung ändert (Xtal-Last, C1 in Reihe mit C2). Die Sondenlast am XO sollte jedoch keine Oszillationen unterbrechen, es sei denn, die gesamte Schaltung ist zu marginal und erfüllt nicht die Stabilitätskriterien (negative Impedanz des Verstärkers sollte 3-5 mal höher sein als Xtal ESR). Wenn die Sonde dies tut, betrachten Sie den Xtal-Test als fehlgeschlagen.

Man sollte niemals versuchen, den XI-Eingang zu testen, vielleicht nur mit einem 100-MOhm-Tastkopf und nur aus Neugier. Der Grund liegt nicht in der Spitzenkapazität (2-8-12 pF oder was auch immer), sondern darin, dass aufgrund der endlichen Sondenimpedanz dem XI-Pin eine DC-Verschiebung zugefügt wird. Der Pierce-Oszillator ist eine sehr empfindliche nichtlineare Schaltung und verfügt über eine sehr wichtige DC-Rückkopplungskomponente R1, die den Eingangs-DC-Pegel effektiv auf den Punkt der maximalen Verstärkung einstellt, normalerweise etwa auf halbem Weg von Masse zu Vcc. Die Komponente R1 beträgt normalerweise 1 MOhm und mehr, und die Schwingungen werden am selbstgewählten DC-Punkt zentriert. Selbst das Anbringen einer 10-MOhm-Sonde verschiebt diesen Punkt nach unten, die Verstärkung fällt ab und die Schwingungen sterben ab.

Und natürlich ist der beste Weg, um auf Schwingungen zu testen, es nicht mit Sonden zu berühren, sondern einen internen Puffer mit Ausgang zu einem anderen GPIO-Teststift zu haben.

Ich hatte einmal ein ähnliches Debugging-Problem mit meinen Atmel ATMEGA328P-Controllern, die 8-MHz-Keramikresonatoren funktionierten anscheinend nicht. Ich hatte ein Rigol-Zweikanal-Oszilloskop von Cheapo und hatte ein Arbeitsboard, das ich zuvor hergestellt hatte, mit einem Oszilloskop versehen, und das schöne 8-MHz-Signal war leicht zu sehen, ohne Probleme aufgrund der Belastung durch die Sonden. Sie sollten sich keine Sorgen über die Wirkung der Sonde auf den Kristall machen.

Das Hauptproblem, das ich fand, war, dass mein Controller, der den Kristall antreiben sollte, seine Sicherungen nicht richtig eingestellt hatte, um den externen Kristall zu verwenden. Nachdem ich die Sicherungen zur Auswahl des externen Quarzes durchgebrannt hatte, zeigten die Resonatoren Lebenszeichen!

Es ist also eigentlich ein guter Punkt, um sicherzustellen, dass Ihr Mikrocontroller, der mit dem Kristall verbunden ist, so eingestellt ist, dass er den Kristall verwendet, da sonst nichts vorhanden ist, um Strom in ihn zu treiben, um ihn zum Schwingen zu bringen. Sobald Sie sich vergewissert haben, dass dies der Fall ist, können Sie feststellen, ob es sich um PCB- oder andere Leiterbahnprobleme, Erdungsprobleme, falsche Pins usw. handelt.

Die externen Komponenten lassen den Oszillator symmetrisch aussehen, aber es gibt einen Verstärker auf dem Chip, der alles andere als das ist. Der Oszillator-Pin auf der Ausgangsseite hat eine niedrigere Impedanz, und das Anbringen der Oszilloskopsonde dort beeinflusst ihn nicht annähernd so stark wie das Sondieren des Eingangspins.

Wenn es oszilliert, hat der Ausgang eine größere Amplitude als der Eingang; es kann auch keine sehr gute Sinuswelle sein. Die Eingangsseite wird niedriger sein und sollte eine Sinuswelle sein (nachdem sie durch den Kristall gefiltert wurde).

Wenn es nicht oszilliert, ist der Eingang lauter und sollte etwa die Hälfte der Versorgungsspannung betragen. Der Ausgangsstift sieht sauberer aus und kann auf VDD oder Masse liegen. Einiges davon wird mit dem Design des Chips (und der Konfiguration) variieren.

Wenn Sie einen empfindlichen Kommunikationsempfänger haben, wie er im Amateurfunk verwendet wird, klemmen Sie einen Draht zwischen den Antenneneingang des Empfängers und das andere Ende einen Zoll von der Oszillatorschaltung entfernt, ohne die Schaltung auch nur zu berühren, und stimmen Sie den Empfänger auf die Kristallfrequenz ab. Sie sollten einen Beat hören. Und genau auf die Frequenz.