Är denna krisall på 16MHz?

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
M!k@el
Inlägg: 173
Blev medlem: 25 oktober 2005, 12:38:51
Ort: Varberg
Kontakt:

Är denna krisall på 16MHz?

Inlägg av M!k@el »

ska ha en 16MHz kristall till mitt senaste projekt, och hittade denna.
så nu är min fråga är det 16MHz? det står "16CKSS7AT" och är av låg profil.
Bild
Användarvisningsbild
bengt-re
EF Sponsor
Inlägg: 4829
Blev medlem: 4 april 2005, 16:18:59
Skype: bengt-re
Ort: Söder om söder
Kontakt:

Inlägg av bengt-re »

Ja, skall vara en AT-skuren 16MHz kristall i någon variant av HC49-lowprofile kapsling.

EDIT: Lastkapacitans torde vara 22-30pF ungefär
Senast redigerad av bengt-re 28 januari 2007, 12:51:49, redigerad totalt 1 gång.
M!k@el
Inlägg: 173
Blev medlem: 25 oktober 2005, 12:38:51
Ort: Varberg
Kontakt:

Inlägg av M!k@el »

Tack för det snabba svaret :) nu kan jag löda dit den också :)
Användarvisningsbild
oJsan
EF Sponsor
Inlägg: 1541
Blev medlem: 11 november 2005, 21:36:51
Ort: Umeå
Kontakt:

Inlägg av oJsan »

Med hög sannolikhet, ja. (Herr Google ger indikationer att det kan vara en kvartskristall från Panasonic)

OM den inte är 16Mhz så märker du det nog, knappast något som går sönder.
Användarvisningsbild
bengt-re
EF Sponsor
Inlägg: 4829
Blev medlem: 4 april 2005, 16:18:59
Skype: bengt-re
Ort: Söder om söder
Kontakt:

Inlägg av bengt-re »

Det här inte exakt samma, men troligen är din kristall rätt lik denna:
http://www.farnell.com/datasheets/64643.pdf
xxargs
Inlägg: 10185
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Inlägg av xxargs »

Och slå en blick på 'driver level = 500 µWatt' och gör plats för serieresistor på driverns utgång också om oscillatorn görs med standard CMOS/TTL inverterarkretsar.

Processorns kristalldrivers 'bör' vara anpassade redan från början för detta, men har man plats så tycker jag man ändå bör skapa plats för serieresistor på utgången även där - är det ytmonterat så är ju extra motstånd inga stora saker. Glöm heller inte parallellmotståndet över kristallen på 4.7-10 MOhm för att försäkra om säker start - om det inte redan är inbyggt i drivern..

Ovanstående effektparameter är förmodligen världens mest bortglömda designparameter och överdrivning av kristall syns inte med en gång utan kanske årtal senare med kristallhaveri i form av att frekvensen ändrar sig långt utanför lovad spec.

Kristaller har nämligen så högt Q-värde att den 'mekaniska spänningen' i form av böjning eller skjuvning av kristallplattan kan vara 3000 - 30000 gånger högre i ekvalent Volt än instoppad spänning - kör man för hårt så börjar kristallen - eller snarare det som sitter på kristallen - helt enkelt att nötas ut - guldatomer skakar loss från guldpläteringen och ändrar vikten (och därmed frekvens) och i värsta fallet kan det bli utmattningsbrott i bondningar etc. då skivan faktiskt fysiskt vibrerar även på dom här MHz-frekvenserna.

(till detta noterade jag att ovan angivna kristaller tål bara ca 100 G i 6 ms stötchock - att tappa sagda kristall till hårt golv från 1 meters höjd kan ge uppåt 3000 - 5000 G under 0.5 ms om det vill sig illa - så tappa inte dessa kristaller på stumt underlag ens från några dm höjd... - en vanlig liten 32768 Hz klockkristall för armbandsur är designad för att tåla minst 1500 G då den förlitar sig att sitta i en något fjädrande kretskort i klockboetten samt att själva klockat tar emot det mesta av smällen tack vare sin tyngd begränsar G-krafterna... ...och fortfarande gäller regeln 'tappad kristall = trasig kristall')

Förutom överdrivnings-skyddet så fungerar serieresistorn tillsamman med lastkondensatorerna var sida om kristallerna som ett lågpassfilter vilket gör att övertonerna från inverterarens omslag inte får kristallen att arbeta på någon av spurrarna (som alla kristaller har en eller flera av) eller någon harmonisk överton, samt lastar inte inverterarens utgång lika mycket som när den måste jobba rakt mot en jordad konding och därmed ger bättre drivförmåga med snabbare flank åt ytterligare inveterare som förmedlar klockan vidare in i systemet

Och slutligen med resistorn tillåter man utgången att slå i ändlägen och inte jobba till stor del av tiden i linjärt område - då det sistnämda drar mycket mera ström. - mycket viktigt för batteriopererad utrustning där kristallen snurrar även i sleepläge.

I praktiken innebär det att 32768 Hz klockkristaller bör ha en seriemotstånd från logikens utgång på ca 1 Mohm - främst för att inte överlasta kristallen samt spara ström genom logiken.

En grov regel är 1/(2*PI*Cut*Rserie) << 32768 vilket ger att seriemoståndet bör vara en bra bit över 220 kOhm till kristallen

(Cut är jordade kapacitansen från logikens utgång till ingången av kristallen
och Rserie är motståndet mellan logikutgången och Cut.)

på höga frekvenser (> 1MHz) kan man starta med tumregeln att serieresitansen är minst lika hög som impedansen av Cut

dvs. Rs >= (1/(2*PI*f*Cut), vilket för 22 pF är 452 Ohm för 16 MHz och givetvis utan att driva kristallen för hårt rent effektmässigt - dvs 0.2 Volt eller 0.56 Vp-p över kristallen för 500 µWatt om man är i serieresonans

Nu är den vanligaste oscillatortypen av pierce-typ, som försöker använda kristallens induktiva del tillsamman med dom yttre 22-pF-kondingarna så mycket som möjligt, vilket gör att man inte ligger precis på kristallens serieresonans utan i närheten och något under av kristallens paralellresonans, vilket gör att spänningen över kristallen kan mätas upp något högre utan att den för den skull är för hårt driven då en del av effekten bypassas av kristallen paralellkapacitans samt ekvivalenta drosseln med seriekopplad konding inte tar emot så mycket effekt då den har högre impedans för att den är utanför sin serieresonans.


På höga frekvenser 1 - 25 MHz kan typisk serieresistans ligga på mellan 1-10 KOhm om driverna är 74HC04 typ. och gemensamt för alla designregler och appnötter ang. kristaller jag har sett hittils är att ingen uterlämnar denna serieresistans eller sätter värdet till noll - dvs. precis tvärtemot hur det appliceras i praktiken då de flestar struntar i just denna motståndet...

---

Själv provade jag att simulera en sådan 16 MHz kristall med 74HCT04 som driver. och det första man kan säga när man har simulatorer, är att ha tålamod, då man måste köra länge innan en kristall med Q=100000 har kommit igång och stabiliserats. I simulatorn kan man också hamna i state som aldrig inträffar i verkligheten då oscillationen aldrig vill komma igång riktigt då utan cyklar mellan olika bestämda lägen då simulationer saknar brus mm. som knuffar runt lägena lite.

uppkopplingen är:

http://www.algonet.se/~toek/crystal_1.GIF

Nästa steg är att man blir en smula blek om nosen när man inser att den ekvivalenta mekaniska 'spänningen' (node 3) lätt överstiger 200 kilovolt t-t i serieresonanskretsen inne i kristallen samt att kristallen drivs långt över specarna om den kopplas direkt på en 74HCT04-utgång med 7-8 mW effektförlust (så lång jag orkade köra) samt att spänningen på 74HCT04:s ingång lätt gick uppå 6 Volt och -2 Volt om man inte har klampdioder på ingångarna - kanske just dom som till slut ändå begränsar spänningstillväxten i kristallen..

Med denna koppling så _måste_ man ha minst 600 Ohm serieresistans (R3) på driverns utgång om inte kristallen skall drivas långt över sina specar av 500 µWatt i förluster enligt datablad (och 'bara' ca 60 kilovolt t-t). I simulatorn så var det svårt att få säker start med 1 kOhm och över då det kan ligga och gurgla lång stund innan fas och spänning kommer i takt och det växer närmast exponentiellt helt plötsligt, vilket förmodligen inte är något problem i verkligheten.

Förmodligen kan man ha både 1-10 kOhm i serieresistans innan oscillatorn vägrar starta - dock bör man prova ut punkten så att man inte ligger för nära gränsen alternativ köra efter simulatorns värde typ 680 Ohm och köra så hårt man kan men ändå på rätt sida rent effektmässigt för kristallen..
Senast redigerad av xxargs 30 januari 2007, 21:50:09, redigerad totalt 2 gånger.
spaceniggah
Inlägg: 66
Blev medlem: 5 april 2005, 12:14:25

Inlägg av spaceniggah »

Det senaste inlägget förtjänar ju att hamna i Wiki´n som FAQ om kristaller.

maken till seriösare svar har jag inte sett på länge!

eloge!
M!k@el
Inlägg: 173
Blev medlem: 25 oktober 2005, 12:38:51
Ort: Varberg
Kontakt:

Inlägg av M!k@el »

Håller med att den där va ett välldigt bra svar! gör plats för det wikin nu! :)
xxargs
Inlägg: 10185
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Inlägg av xxargs »

Tillägg i efterhand:

I Microcap MC7 som jag använde för ovanstående simulering så upptäckte jag att knapp F12 är hemskt behändig - där kan man 'ladda' upp kristallens 'C1' till säg 100000 Volt innan man kör simuleringen för att närma sig driftstatus och på så sätt spara simuleringstid. En kristalloscillator kan behöva sekunder från spänningspåslag tills den har nått full utspänning och normal driftmode även i verkligheten - vilket är hemskt jobbig att hantera i simulatorer då den kör med upplösning i nanosekunder för att hantera 16 MHz på ett bra sätt...

Jag har inte klart för mig om det i Spice-simulatorn fins funktioner som kan 'tomköra' på modellen en god stund innan den börja lagra och spottar ur sig diagrammen/tabellen - för när man kör med lång tid så får man förr eller senare bekymmer med datorns minne om all data sparas hela tiden som det kan bli när man vill köra över sekunder i nanosekundersupplösning.

En bugg i MC7 är att logikkretarnas state kan glömmas bort mellan förra körningen (med sparade värden) till nästa körning som startar där förra slutade- dvs. inveterare får samma '1' eller '0'-läge på både in och ut samtidigt vid nästa körning och inget upptäcker detta, den delen måste också rättas till med 'F12' när det inträffar (du ser att utgången på logiken slutar att ocillerar efter att den börjat oscillerar när du hamnar i detta läge - bara bryta, rätta till med F12 och sedan köra vidare) - ingeting är perfekt, inte ens i svindyra simulatorer....


---

För den som själv vill räkna och simulera på olika kristaller med data från datablad kan använda formlerna enligt:

nödvändiga indata från datablad:

f = Frekvens för kristallen.
Q = Q-värde för aktuell frekvens, är nästan alltid angiven i datablad.
Cp = Parallellcap (C2 på min schema), typvärde brukar vara 7 pF om det inte anges, går också att mätas upp om man håller sig en bra bit ifrån kristallens frekvens som mätsignal, och givetvis inte i någon spurrfrekvens..
R = (R1 på min schema) ESR-värde, står också nästan alltid i databladet

För att räkna ut den ekvivalenta induktansen L (L1 i mitt schema):

L = (R*Q)/(2*PI*f)

För att räkna ut den ekvivalenta seriekapacitansen Cs (C1 i min schema):

Cs = 1/((((2*PI*f)^2)*R*Q) / (2*PI*f))

(byggd av formler som bör hittas i vilken ellärabok eller ellära-formelsamling som helst)

Värdena på Cs brukar bli löjligt lite i femtoFarad-område och induktansen enorma i hela och delar av Henry. Man kan bokstavligen säga att det är som en lastbil som fjädrar mot en mygga stöd mot en bergvägg - det är därför spänningarna blir så groteskt höga även vid små ineffekter. Observera att ovanstående beräkning gäller för kristallens serieresonansfrekvens - parallelresonansfrekvensen brukar ligga 1-10 kHz högre, vilket är viktigt att veta när man simulerar kristaller för parallellresonans[1].


Obervera, ovanstående är en modell av fysisk kristall, mycket användbar sådan i simulering, men tar inte med kristallens alla spurrar och andra hyss som de alltid har - spurrarna kommer från att kristallskivan kan börja vibrera i olika moder pga. uppbrytning i själva kristallskiva - på samma sätt som mellanregisterhögtalares membran kan börja vobbla och våga sig när frekvensen är högre än och våglängden kortare i luft än omkretsen av högtalarmebranet - därför är diskanter alltid små i diametrar - just för att undvika uppbrytning då denna del inte har någon koppling till övertoner av dom använda frekvenserna och kan låta hemskt illa..

Det är också detta som kan hända när en kristall 'slits ut' pga. överdrivning , det har skakat loss så mycket guldplätering och annat från kristallskivan att den får förändrad (a)symmetri och helt plötslig är en spurre mer dominerande än den avsedda frekvensen i aktuella oscillatornätet och frekvensen kan hoppa plötsligt flera 10 och 100 kHz - ibland under drift, ibland först efter en ny avstängning och strömpåslag och oscillatorn låser sig på en spurre istället.

1 KHz - 10 KHz - 100 KHz hopp/fel kanske inte låter så farligt i MCU sammanhang - men föreställ er vad som händer om sagda kristall är referens till en PLL-oscillator och växlas upp frekvensen till 2.4 GHz - då kan en sådan hopp göra att det åker flera MHz på de höga frekvenserna - det finns RF-slusteg i KW-klassen som smällt på millisekunder vid en sådan hopp då den normala frekvensen som gick igenom duplexfiltret, åkte så mycket åt sidan av passbandet till spärrbandet av filtret att det blev totalreflektion och bränna upp ett halvt stativ halvledare innan effektkontroll och ståendevågskydd ens fattade vad som hände...
(här kan man snacka om långsökta fel)

Därför kan man inte slarva med kristalloscillatordesign även om det används till 'simpla' ting som PIC-processorer - för då tar man med sig konstruktionsolaterna även till den dagen då fel av den här typen får väldigt dyra konsekvenser.

- tyvärr är det väldigt mycket 'cut and paste'-design från appnötter och datablad utan reflektion idag där ingen bryr sig längre om vald lösning gör jobbet tillräckligt bra eller ens vet att det kan finnas dåliga lösningar och man får en mass 'konstiga' bekymmer i senare led som kan vara enormt långsökta.


[1] frekvensstämplingen på kristaller avsedda för paralellresonans som MCU-kristaller gäller bara vid 'standard' yttre kapacitiv parallelkondensator (de jordade kondensatorerna på var sida om kristallen - HF-mässigt sett så är dom seriekopplade där 2 st 22pF egentligen blir 11 pF som parallekoppling över kristallen - till detta skall också logikens in och utgångskapacitans räknas in.)

Dom värden jag har sett för 'standardlast' är 10 pF för tidiga 80-tals kristaller medans idag så verkar 20 resp 32 pF vara standardlast - detta _bör_ stå i kristallens datablad och/eller tillhörande appnötter om den är från seriös tillverkare.
pheer
EF Sponsor
Inlägg: 1283
Blev medlem: 16 januari 2005, 18:05:21

Inlägg av pheer »

Jag håller med spaceniggah, denna tråd får bli en fin pdf!
Skriv svar