RC eller kristall för timing? (och kristallproblem)

[DragonsDen]

Har kopplat samman en HCT4060 (binärräknare med inbyggd oscillator) med en 32768 Hz kristall enligt figur 11 på sista sidan i databladet. Men jag får det bara inte att funka. Det är ett sekundärt ämne och jag förklarar problemet lite närmare längst ned.

Däremot fungerar det utmärkt när jag istället kör RC-kopplingen (med resistor och kondensator) enligt figur 10 i samma datablad!

Datablad för 4060:
https://www1.elfa.se/data1/webroot/Z_DATA/07355266.pdf


Vad vi kunde diskutera här, är när kristall är att föredra framför RC, och vice versa.

En faktor är väl att kristallens tajming har enorm precision. Men om resistorns och kondensatorns egenskaper förblir konstanta under körningen, så är väl de också mycket noggranna, eller? Hur konstanta blir de under några minuter i rumstemperatur, kopplade till en 4060:a?

Mitt syfte är inte att interfaca med någon microelektronik, utan bara att hålla koll på tiden mellan två händelser ned på millisekundnivå (utan att behöva blanda in en PIC, det vore lite för omständigt just nu).

Hur mycket kan en periodlängd variera över tiden med RC-koppling? Alltså om en period är T lång, hur stor kan T vara en respektive tusen perioder senare?

Värdet på särskilt kondensatorn kan vara svårt att fastställa exakt på förhand. Min multimeter har t.ex. funktion för att testa kondensatorer, men för små värden (mindre än nanoFarad) så har den väldiga felmarginaler. Fast med t.ex. en binärräknare som 4060:an, så kan man ju med tålamod eller speciell utrustning mäta svängingarna av kanske 2^10 högre ordning med för många tillämpningar hyfsad precision. Frågan är, om den tionde pinnen nu visar sig svänga mycket likformigt över tiden, betyder det att den första (lägst signifikanta) pinnen också gör det? Eller är det så att variationer av lägre ordning jämnas ut när de aggregeras i tusental?

Finns det något annat väsentligt att beakta i valet mellan kristall och RC?



Och angående hur min kristallkoppling till 4060:an inte fungerar:

Med kristallkopplingen så växlar utbenen (Q-pinnarna) på 4060:an inte mellan högt och lågt. En del är stadigt höga, andra är stadigt låga. Jag har jordat reseten, pulldowns (10-20 kohm) på alla utben, Ct hänger fri. RS och Rt som är kopplade över kristallen, har en spänning nära 2 volt, vilket jag tar som indikation på att de faktiskt tar emot ett pulståg från kristallen.

Jag har gjort om kopplingen flera gånger, på två olika kopplingsplattor, och verkligen varit noga med att koppla allt rätt. 4060:an funkar ju med RC (och med manuell strömbrytare om jag kopplar in en sån på RS). Och jag har prövat ca 5 olika kristaller, så om de är trasiga, så förstörs de nog i själva den här uppkopplingen. Det är förresten nån av de billigaste 32768Hz-kristallerna på Elfa, de där silverfärgade cylinderformiga. Är det kanske fel typ på nåt sätt?

Nån som känner till vanliga newbie-fel med kristaller?[/b]

[SvenW]

Det är stor skillnad på kristallstyrd och RC-styrd oscillator. Även om R och C skulle vara perfekta så bidrar den aktiva kresten (HCT4060) med drift och brus, och det blir frekvensdrift pga temp och åldring och fasbrus. Det är en CMOS med ganska mycket 1/f-brus.
Om felen kan tolereras beror helt på vad oscillatorn skall användas till. Den duger absolut inte till radiosändare!
Kristallstyrd oscillator ger cirka 5-7 siffrors noggrannhet, medan en RC-styrd kanske 2-4 siffror.

[DragonsDen]

Först:

Med "2-4 siffrors noggrannhet", menar du 1/10^2 till 1/10^4, alltså 1/100 till 1/10000? Skulle RC vara helt okej för mig, som kan acceptera "några" procents periodlängdsfel från en minut till nästa minut?


Sen:

IC:n är ju densamma oavsett om den är kopplad till RC eller kristall, så varför är IC:ns frekvensdrift ett större problem i ena fallet än i det andra?


sist:
Jag är verkligen newbie på sånt här, och det är svårt att hitta bra info online även på engelska. Kristaller beskrivs bra på typ kemisk nivå, men sen wooops, så här ska den kopplas in, det bara är så! Hur en kondensator gradvis laddas upp och därför kan anvädnas som tidsfördröjning, är väl beskrivet. Men jag uppfattar det som om kristallens användning inte är lika konkret förklarad för en googlande hobbybyggare.

[TomasL]

Vad du får kika på är kondingarna, bla.
Sedan får du försöka tyda ut vilken typ av kristall som skall användas.

[Schnegelwerfer]

Just 32,768kHz-kristaller kan vara lite knepiga att få att svänga.

Hur har du kopplat upp kretsen? Det är viktigt att du har korta anslutningar mellan kretsen och kristallen, bra jord, rätt kondensatorvärden osv.

Om du kopplat upp det på en labbplatta är det inte säkert att det fungerar...

[DragonsDen]

Det skulle inte förvåna mig om det är fel "typ" av kristall som orskar mina 4060-kristall-problem. Jag valde kristall utifrån lägst frekvens (32876 Hz verkar vara enda alternativet till MHz nånting), och i andra hand pris.

Framgår det av 4060:s datablad vad som krävs av kristallen, och i så fall hur...

Kristallernas datablad är ju väldigt kortfattade.

[TomasL]

Googla lite, så hittar du:

http://www.fairchildsemi.com/ds/CD%2FCD4060BC.pdf
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cd4060b.pdf
http://www.standardics.nxp.com/products ... f4060b.pdf


Tror du hittar en del svar där.

[DragonsDen]

Googla lite, så hittar du:

Hmm, du googlar bättre än mig. Fusk!

http://www.fairchildsemi.com/ds/CD%2FCD4060BC.pdf

Jaha, där finns ju motsvarande kopplingsschema fast specifikt för en 32768 Hz kristall, med ganska radikalt andra värden på motstånd och kondensatorer.

Kan jag tillämpa det kopplingsschemat till min 74HCT4060N? Eller behöver jag köpa just den 4060-IC som databladet refererar till? Och i så fall, skulle den CD4060BE som finns i lager i Elfas Solna-butik duga för 2FCD4060BC specifikation, tror du? (Jag har inte mycket till övers för Elfa, men jag är bekväm av mig).

Återstår för mig att titta på imorrn:

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cd4060b.pdf
http://www.standardics.nxp.com/products ... f4060b.pdf

Tackar för ledtrådarna!

[TomasL]

Hmm, du googlar bättre än mig. Fusk!

Hmm, enbart "4060" i sökfältet inget annat.

[SvenW]

"Med "2-4 siffrors noggrannhet", menar du 1/10^2 till 1/10^4, alltså 1/100 till 1/10000?"
- Ja, det är så jag menar.

"IC:n är ju densamma oavsett om den är kopplad till RC eller kristall, så varför är IC:ns frekvensdrift ett större problem i ena fallet än i det andra? "

Det som orsakar frekvensdrift vid R-C-styrning är, förutom variation i R och C, att IC-kretsens komparatorpunkt driver. Har man kristall betyder detta inte så mycket pga kristallens höga Q-värde. Kristallen svänger relativt opåverkad av omgivningen.
Liknande resonemang vad gäller fasbruset, då komparatorpunktens brus har betydelse.

[DragonsDen]

Tackar för alla svar så här långt! Det här var ju ovanligt produktivt för mig. Tackar!

Jag har nu tillgång till en multimeter med frekvensräknare (Velleman DVM1500). I min ursprungliga 4060-RC-koppling visar den stora variationer. Under några minuter varierar t.ex. frekvensen mellan 34 Hz och 47 Hz på en av IC:kretsens utgångar. Specifikationen till multimetern anger precisionen till 0.1% eller 0.01 Hz.

Är det naturligt med så stora variationer i en RC-oscillator, eller tyder detta på att något är knas i kretsen?


(Jag måste köpa megaohm-motstånd för att pröva den nya kristalluppkopplingen mot 4060:an)

[vfr]

Nää, skulle jag säg. Man har en inledande intolerans i RC-oscillatorer som helt enkelt beror på att kondensatorer, framför allt, har stora variationer. Sedan får man dessutom temperaturvariationer ovanpå det. Men så stora skillnader på relativt kort tid verkar inte helt normalt om allt står rätt till.

[Ronny]

DragonsDen: Här är ytterligare information om kristaller och kristalloscillatorer om du vill läsa på om teori, kopplingsexempel m.m.

EuroQuartz - Crystal Theory
EuroQuartz - Oscillator Circuits

Application Note 340 - HCMOS Crystal Oscillators

STATEK - Design Guidelines for Quartz Crystal Oscillators
STATEK - Practical Analysis of the Pierce Oscillator

AP-155 Oscillators for Microcontrollers

AN96103 - X-tal oscillators on 8-bit microcontrollers
AN97090 - Oscillators on 8-bit microcontrollers

[DragonsDen]

Jäpp, med större motstånd och mindre kondensatorer, så funkar kristall+4060! I ett av TomasL datablad för IC som liknar min, så fanns ett kopplingsförslag som fungerar. På sidan 3 här:
http://www.fairchildsemi.com/ds/CD%2FCD4060BC.pdf

Den kristalltyp jag har, ska inte ha mer än 1 uW belastning. Många MHz-kristaller verkar klara 1000 gånger mer med 1 mW. Men jag kan ju inte härleda av det att jag ska sätta 330 kohm i serie med kristallen och 15 Mohm parallellt över den. På motsvarande sätt verkar min "långsamma" klockkristall ha lägre lastkapacitans än snabbare kristaller, vilket kanske avgör valet av kondensatorer, men återigen oklart för mig hur.


Och tack, Ronny, för "kursmaterialet"! Jag ska titta på det, för jag har inte mycket koll på kristaller idag.