Kinkiga kristaller - lastkapacitanserna och en PIC18LF...

[Illuwatar]

Problemet är nu löst. Det visade sig att de uppdaterade versionerna av MiniMig-koden för PICen är avsedd att laddas via bootloader. Kör man in den direkt så uppför sig PICen som om den vore tom. Så, på med TinyBoot och allting gick igång som det skulle. Och det verkar som sagt inte vara så kinkigt med kondensatorerna - jag har nu kört med både 12pF och 22pF utan problem.

Som en bonus dock fick jag i alla fall reda på att man kan mäta med oscilloskopet direkt på OSC-pinnarna hos PICen. Det går även bra att mäta med hög känslighet om proben hålls mot kristallkåpan, speciellt om man har ett halvkasst jordplan. Den nya MiniMig'en har förbättrats en hel del där...

[bearing]

Med kristall utgår jag ifrån att du menar en komponent med 2 anslutningsben och med ett hölje vanligtvis av blank metall...

Javisst, en sån här:

bearing: Måste fråga så jag förstår dig rätt.
Du kör alltså en MCU med enbart en kristall ansluten till de båda OSC-pinnarna och bryr dig inte om att ansluta de båda lastkondensatorerna från kristallens ben till jord? Varför i så fall?

Mest för att jag märkt att det fungerar och det är skönt att slippa pilla dit de där pyttesmå kondensatorerna. Även för att det intuitivt känns som att kapacitanser som är shuntkopplade borde försvåra oscillation då ju impedansen minskar med ökande frekvens. Kanske också för att jag minns att den elektriskt ekvivalenta modellen för en piezo-kristall innehåller kapacitanser (att de är i serie tänkte jag inte på). Även okunskap, jag har inte brytt mig om att förstå hur pierce-oscillatorn med kristall fungerar.

Efter ditt inlägg läste jag på nätet och förstår lite bättre, fast inte allt. Jag tycks ha glömt teori kring villkåren för positiv återkoppling med reaktiva komponenter.

Hela oscillatorprincipen bygger ju på att de yttre komponenterna (kristallen och de båda kondensatorerna) tillsammans med den elektronik som finns mellan OSC-pinnarna inuti kapseln bildar en loop (återkopplad slinga). Kristallen och riktigt dimensionerade lastkondensatorer ser till att fas- och amplitudvillkoret för oscillation uppfylls och oscillatorn fungerar som tänkt.

Visst, du rapporterar att det fungerar utan lastkondensatorer men är själv inne på att det nog kan vara strökapacitanser som gör att det fungerar överhuvudtaget. Ja, xxargs har redan nämnt de kapacitanser som finns internt i MCU'n från OSC-pinnarna till jord. Dessa tillsammans med eventuell icke optimal anslutning av kristallen till OSC-pinnarna gör att din oscillator svänger. I detta läget har du förmodligen halkat ned på amplitud- och faskurvorna så att din oscillator riskerar att sluta svänga när de yttre omständigheterna ändras lite.
Ingen bra situation alls!

Kristallen och de båda lastkondensatorerna hör så att säga ihop. Hela oscillatorprincipen bygger på att dessa tre komponenter samverkar på ett bra sätt. Det går inte att bara plocka bort lastkondensatorerna och tro att det fungerar.

Det finns många trådar här på forumet som handlar om kristaller och inkoppling till MCU'er. Dessa trådar är väl värda att söka efter och läsa.

Jag blev nyfiken på att se vilken lastkapacitans en PICs interna kapacitans tillsammans med uppskattad yttre strökapacitans kan ge, samt jämföra det med vad en kristall behöver.

Min tolkning av databladet för den PIC jag valde ( http://ww1.microchip.com/downloads/en/D ... -print.pdf ) är att kapacitansen på OSC-pinnarna är inom området 5 pF - 15 pF. Enligt databladet för elfas kristaller ( https://www1.elfa.se/data1/webroot/Z_DATA/07450000.pdf ) bör lastkapacitansen vara mellan 10 pF och 75 pF. Det borde betyda att endast PIC:ens interna kapacitans räcker för att hamna inom det specificerade intervallet.

Enligt följande text jag hittade innebär låg lastkapacitans lägre frekvensstabilitet, högre lastkapacitans kan ge problem vid start.

If the circuit-load capacitance does not equal the crystal CL, the operating frequency of the Pierce oscillator will not be at the specified crystal frequency. For example, if the crystal CL is kept constant and the values of C2 and C3 are increased, the operating frequency approaches the crystal-series resonant frequency (i.e., the operating frequency of the oscillator decreases). Care should be used in selecting values of C2 and C3. Large values increase frequency stability but decrease the loop gain and may cause problems during oscillator startup.
http://www.mwrf.com/Articles/Index.cfm? ... =5510&pg=4

Jag försöker inte argumentera att jag hade rätt och du hade fel, utan jag uppskattar ditt inlägg och inser att oscillatorkopplingen behöver kapacitanserna.

[xxargs]

Det är inte alltid lätt att se 'klurigheten' i sådana kopplingar - man kanske tycker att det verkar vara en lågpasskoppling som 'borde' dämpa högfrekvensen - men själva verket är det helt andra mekanismer som samverkar.

[Ronny]

bearing:
Först och främst: Tack för ett utförligt svar. Bra!

Trots att det "bara" är tre yttre komponenter som ska väljas/dimensioneras, kopplas ihop och anslutas till OSC-pinnarna är det en relativt komplicerad krets. Det finns anledningar till att man på nätet stöter på formuleringar i stil med: "The oscillator circuit is one of the most overlooked areas of microprocessor circuit design".

I databladet (för PIC16F684) som du länkar till, finns på PDF-sidan 24 (Note 3) en hänvisning till ett antal applikationsnötter med information om vad tillverkaren Microchip rekommenderar:

Note 3
For oscillator design assistance, reference the following Microchip Applications Notes:
• AN826, “Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfPIC® and PIC® Devices” (DS00826)
• AN849, “Basic PIC® Oscillator Design” (DS00849)
• AN943, “Practical PIC® Oscillator Analysis and Design” (DS00943)
• AN949, “Making Your Oscillator Work” (DS00949)

[bearing]

Kunskapsrikare och ivrigt oscillerande kopplade fingarna mina in små lastkondensatorer mellan piezokristallens båda ben och jord. Det gick lätt, kondensatorerna hade ju faktiskt använts förr; deras ben var lämpligt bockade för att passa i kopplingsplattans hålmönster. "En sådan vacker färg och form de har", var tankar som gick genom elektronikamatörens, just nu sunt koncentrerade, men ofta tankspridda, huvud. "Kristaller och kondensatorer hör ihop, även estetiskt".

Det kändes bra att göra rätt.

Blandat med de goda känslorna, som leende var på väg att tangera stolthet, fanns även en oro. Den nyligen intagna informationen sa att lastkapacitansens rekommenderade intervall slutade vid 75 pF. De just ditsatta kondensatorerna var två stycken med värdet 33 pF. Tillsammans med mikrokontrollerns interna kapacitans och kopplingsdäckets strökapacitans innebär detta att lasten sannolikt blir för stor... "Hmm... ska jag avlägsna de små igen..." "Ånej, nu när jag bemödat mig ska jag väl ändå låte de sitta kvar."

Trots oron fortsätter pillandet med kretsens övriga utförande. Erfarenheten att det de kapacitiva lasternas värden inte tycks vara så kritiskt ger trygghet. Snart är det dags för spänningssättning. De goda känslorna förblir, även efter att den tunga knappen vidrörts. Ström flödar i måttlig mängd och hyperterminalens fönster fylls med vacker svärta. Information utbyts mellan människa och maskin. I dagar fortsätter leken obekymrat.

Plötsligt, en morgon då dimman ligger tät, vill maskinen ej längre utföra sin förväntade uppgift. Omstart efter omstart ger inte mer än millisekunders flåsande. Orden som lämnas liknar korta censurerade svordomar. Det blir tyst. När det mesta testats inses vad som just innan förändrats: matningsspänningen har ökats från 3,3 volt till 5,0. Ökningen är inom specifikationerna. "Det borde inte påverka...". Tankar cirkulerar. Pannan blir varm.

Den sista trevande åtgärden innan själen igen känner ro, blir att avlägsna de små vackra. Ännu ligger de vid kopplingsdäcket intill, ensamma och lösa, medans allt annat roterar lika glatt som om de fanns.

[bengt-re]

parasitkapacitancer beror också på vilken kapsel du har - SOIC 28-pinnar på tvålagerkort FR4 1,6mm tjockt och jordplan på bottenlagret under picen får 6 pF i strökapacitans. Räknat med viss kapacitans på de (mycket korta) ledarna till kristallen så blir det ungefär 10 pF i bara kretskortet och med andra ord 18-22 pF blir lagom för en 20MHz SMD kristall som vill ha 30 pf.

Kopplingsdäck och snabba kristaller ÄR ett vågspel - bara kopplingsdäcket överstiger med marginal vad som är lämplig lastkapacitans och har dessutom många andra problem - kopplingsdäck klockas bäst med oscillator istället....

[sodjan]

> De just ditsatta kondensatorerna var två stycken med värdet 33 pF...

Man kan undra varför när alla rekomendationer säger att 22 pF
är det vanliga standardvärdet. Jag har aldrig haft en oscillator som
inte startat med 22 pF på labbplatta.

[bearing]

Det var för att de var de enda små kondensatorer jag hade. En gång i tiden när jag kopplade in min första PIC-krets hade jag läst någonstans på nätet att 33 pF skulle användas. Jag köpte då ett par och nu fanns de kvar.

[sodjan]

> Det var för att de var de enda små kondensatorer jag hade.

Och ?

> En gång i tiden när jag kopplade in min första PIC-krets hade jag läst någonstans på nätet

Du menar väl databladet ? De finns i och för sig också "på nätet"...

[bearing]

> Och ?

Det var inte säkerhetssystemet till ett kärnkraftverk jag skulle programmera, utan mest leka. Jag tycker det blev en bra erfarenhet; teorin verkar ju stämma - det var något jag tidigare inte fått bekräftat i praktiken.

> Du menar väl databladet ? De finns i och för sig också "på nätet"...

Nej, det kapitlet hade jag ännu inte läst i databladet då. Det var någon av de många lysdiodsblinkkopplingsscheman som finns.