Uso do cristal como clock do MCU

[Sérgio Lembo]

Estou com um projeto onde necessito de um clock de precisão. A saída mais apropriada é substituir o oscilador interno por um externo a cristal. Esperava apenas encontrar o oscilador e a recomendação do valor dos capacitores que unem o cristal ao GND e ao invés disso encontrei cristais com capacitâncias que vão de 6pF a 18pF e outras variáveis, isto é, não é um simples plug and play. E quanto mais procuro por explicações mais me enrolo nas teorias de funcionamento dos cristais sem encontrar o ponto de partida para a adequada seleção do cristal e dos capacitores.

Frequência: 24.5MHz

MCU: família EMF8BB1 ou EMF8BB2 da Silicon Labs

Vcc: 3V3

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Até onde sei esta capacitância de carga é crítica para cristal de baixa freq como o 32768. P.ex. o ds1302 seu datasheet pede pra usar de 6pF. Se maior vai atrasar o relógio depois de alguns meses... (experiência própria)

 

Pra altas, pouco posso somar a não ser a intuição que deves usar o de menor capacitância pois a esta pode-se somar mais facilmente do que subtrair.

 

11 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

adequada seleção do cristal e dos capacitores

Na prática pra grande maioria dos projetos, penso que o que informa o datasheet já lhe pode ser suficiente. A não ser isso não atenda sua precisão almejada. Neste caso, um trimmer capacitivo e um equipamento de medição de precisão pode lhe somar algo.

Obs: pro seu caso, considero que já considerou isso. Considere meu registro algo como informativo pra geraçoes futuras.

[Sérgio Lembo]

@Isadora Ferraz , obrigado pela atenção.

Por 40 centavos de dólar se consegue um xtal de 10ppm. Na verdade até um de 50ppm daria conta. O erro construtivo, a deriva térmica, a instabilidade de frequência e o envelhecimento previstos em 20 anos mesmo que somados ainda são suficientemente precisos para a aplicação. Assim sendo, fazer um trimmer vai é me gerar um problema de mau contato ou coisa parecida ao longo dos anos (parte móvel) além de me exigir uma rotina de comparação com frequencímetro de alta precisão (estamos falando de 10ppm). Nas leituras que achei encontrei os de baixa capacitância associados a um baixo consumo (100uW) e os de capacitância mais elevada e mais beberrões (300uW a 500uW). Consumo de energia não é problema, aparentemente nos de maior capacitância e consumo eu teria uma maior imunidade a ruídos (foi o que deduzi pela literatura que achei na net).

Dúvidas: a capacitância associada na descrição do xtal (18pF por exemplo) indica que os 2 capacitores que ligam o xtal ao gnd seriam de 9pF cada um?

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40 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

a capacitância associada na descrição do xtal

Amigo até onde sei, a capacitância em questão é uma tal capacitância de carga ou load capacitance que é algo como a capacitância "natural" interna do cristal. Certa feita, quando o problema do 32768 apareceu, consultei o fabricante e ele me disse que não tem como medi-la com medidores simples. O resultado teve que ser mesmo o descarte de alguns milhares de unidades (e cabeças).

Mas atualmente percebo também que esta tal capacitância pode ser considerada como os capacitores auxiliares sim, tal como disseste. Percebo também que somei zero à tua inquietação.

 

Mas pra não ficar trocadilhamente perdendo tempo com as teorias, invoco meus calos e te dou a alternativa de adquirir um caríssimo oscilador de precisão, já que o quesito custo não entrou em pauta

Uma opção minimamente curiosa pra

1 hora atrás, Sérgio Lembo disse:

20 anos

de aplicação. Já tive contato físico com um do tipo mas com controle "militar" de acesso.

 

E eis que surge de mais um calo, mais uma alternativa surreal: se seu problema for apenas questão de horários precisos, uma alternativa caso lhe comporte, é fazer uma consulta de tempos em tempos num servidor de hora da internet. Difícil? Também acho e nem me pergunte como fazê-lo mas teoricamente possível.

[Visitante]

Olá Sérgio...

 

Veja bem, de acordo com o datasheet:

O MCU não suporta cristal com capacitância de carga maior que 25pF, então atente para isso. (range 5-25pF)

 

Depois, para calcular o valor dos capacitores, você pode se basear em:

CL = ((C1 x C2) / (C1 + C2)) + Cstray

Cstray, é a capacitância parasita do circuito de clock, trilha, pino, etc... presumimos que este valor fique geralmente entre 2pF e 8pF.

Supondo que CL do cristal seja 10pF, da pra dizer que capacitores NPO de 10pF já te atenderiam.

Se ainda assim, o circuito de clock não conseguir "startar", talvez você possa tentar usar um resistor de feedback em paralelo com o cristal, com valor de 1M.

 

 

 

 

 

[Sérgio Lembo]

@Isadora Ferraz , não pretendo saber das horas daqui a 20 anos, apenas ter uma base de tempo resistente a idade, as medições deverão durar cerca de 2ms. Estranhamente li num datasheet que grande parte do envelhecimento ocorre nos primeiros 45 dias de operação. Fazer envelhecimento de quase 2 meses vai ser chic demais, não pretendo chegar a tanto exceto se um dia pretender algo de padrão muito elevado onde a remuneração compense tanta paciência.

De tanto ler e reler a forma de calculo começo a compreender aos poucos o que deve ser feito. Na parte de potência a ser aplicada ao cristal, encontrei no guia de referência do EMF8BB1 um config da porta XTAL onde se seleciona a corrente a ser aplicada, vai de uns poucos uA até 2mA. De forma rasa, o produto da corrente selecionada pelo Vcc dividido por raiz de 2 seria a potência dissipada no XTAL?

[.if]

Serjão , seu curioso projeto tá complexo d+ pro meu intelecto. Sobre cristal e cia olhando daqui de fora, sempre me bastou saber sua frequencia e o que o d.s. do sistema recomendava. Já seu consumo individual, jamais me foi preciso 'precisar'.

9 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

parte do envelhecimento ocorre nos primeiros 45 dias de operação

De fato o que leste no tal datasheet pode ser trazido à prática pelos termos burn-in e run-in e um pouco mais iluminado através do conceito de da curva da banheira, termo antiquíssimo que convivi com o mesmo no início de carreira. A propósito, estou em sua ascendência...