Wie teste ich einen Kristallresonator an Bord?

Ich habe 2 Quarzkristallresonatoren auf meiner Platine: 32,768 kHz und 20 MHz. Sie sind mit einem Freescale MC12311-Transceiver-IC verbunden, in den ein HCS08-Mikrocontroller integriert ist. Ich möchte testen, ob diese Kristalle richtig funktionieren oder nicht.

Verfügbare Werkzeuge : Oszilloskop, Frequenzmesser (Digitalzähler), Digitalmultimeter.

Wie soll ich diese Werkzeuge verwenden, um die Kristalle im Board zu testen ?

• Hinweis : Die kapazitive Lastwirkung von Sonden sollte wahrscheinlich berücksichtigt werden. Wenn nicht, wäre die Messung nicht genau, oder noch schlimmer, die Kristalle würden überhaupt nicht funktionieren.

Edit1 : Ich habe sowohl das Oszilloskop als auch das Frequenzmessgerät (mit x10-Tastköpfen) verwendet, aber leider wurde überhaupt nichts überwacht.

Wie ich sehe, wurde keine Antwort angenommen. Lassen Sie mich eine andere Antwort anbieten.

Die meisten modernen ICs verwenden sogenannte Pierce-Oszillatoren , um mit Hilfe von Kristallen stabile Uhren zu erzeugen. Hier ist die Hauptschaltungskonfiguration:

Wie man sieht, ist die Schaltung nicht symmetrisch: Die rechte Seite wird von einem Treiber ausgegeben (normalerweise als XO bezeichnet), und die linke Seite wird in einen invertierenden Verstärker eingegeben (normalerweise als XI bezeichnet). Daher ist es relativ sicher, das XO-Ende (Ausgangsende) zu prüfen, vorausgesetzt, die Prüfspitze hat eine relativ hohe Impedanz. Eine übliche 1: 10-Passivsonde mit 1 M Eingangsimpedanz sollte die Arbeit erledigen. In der Praxis wird der Ausgangstreiber im Schaltungsverstärker absichtlich schwach gemacht, typischerweise nicht mehr als 1 mA Belastbarkeit, um zu verhindern, dass Xtal übersteuert wird. 1 mA sollte jedoch ausreichen, um einen 1M-Oszilloskopsensor anzusteuern.

Die Sondenspitzenkapazität kann die Schwingungsfrequenz um 20 bis 50 ppm verschieben, da sich dadurch die Schaltkreisabstimmung ändert (Xtal-Last, C1 in Reihe mit C2). Die Sondenlast auf XO sollte jedoch keine Oszillationen unterbrechen, es sei denn, der gesamte Stromkreis ist zu geringfügig und erfüllt nicht die Stabilitätskriterien (die negative Impedanz des Verstärkers sollte das 3-5-fache von Xtal ESR betragen). Wenn die Sonde dies tut, betrachten Sie den Xtal-Test als fehlgeschlagen.

Man sollte niemals versuchen, den XI-Eingang zu testen, vielleicht nur mit einer 100-MOhm-Sonde und nur aus Gründen der Neugier. Der Grund liegt nicht in der Spitzenkapazität (2-8-12pF oder wahtever), sondern darin, dass dem XI-Pin aufgrund der endlichen Sondenimpedanz eine DC-Verschiebung zugefügt wird. Der Pierce-Oszillator ist ein sehr empfindlicher nichtlinearer Schaltkreis und hat eine sehr wichtige Gleichstrom-Rückkopplungskomponente R1, die den Eingangsgleichstrompegel effektiv auf den Punkt maximaler Verstärkung einstellt, normalerweise auf halbem Weg von Masse zu Vcc. Die Komponente R1 beträgt normalerweise 1 MOhm und mehr, und die Oszillationen werden am selbst gewählten Gleichstrompunkt zentriert. Durch Anbringen einer 10-MOhm-Sonde wird dieser Punkt nach unten verschoben, die Verstärkung sinkt und die Oszillationen sterben ab.

Und natürlich ist der beste Weg, um auf Schwingungen zu testen, nicht, sie mit Tastköpfen zu berühren, sondern einen internen Puffer zu haben, der an einen anderen GPIO-Test-Pin ausgegeben wird.

Ich hatte einmal ein ähnliches Debugging-Problem mit meinen Atmel ATMEGA328P-Controllern, bei denen die 8-MHz-Keramikresonatoren anscheinend nicht funktionierten. Ich hatte ein Rigol-Zweikanal-Cheapo-Oszilloskop und ein Arbeitsboard, das ich zuvor hergestellt hatte, und das schöne 8-MHz-Signal war ohne Probleme zu erkennen, da es von den Sonden geladen wurde. Sie sollten sich keine Gedanken über die Wirkung der Sonde auf den Kristall machen.

Das Hauptproblem, das ich fand, war mein Controller, der den Kristall ansteuern sollte, dessen Sicherungen nicht richtig eingestellt waren, um den externen Kristall zu verwenden. Nachdem ich die Sicherungen durchgebrannt hatte, um externen Kristall auszuwählen, zeigten die Resonatoren Lebenszeichen!

Es ist also ein guter Punkt, um sicherzustellen, dass Ihr Mikrocontroller, der an den Kristall angeschlossen ist, für die Verwendung des Kristalls konfiguriert ist. Sobald Sie sich vergewissert haben, dass dies der Fall ist, können Sie feststellen, ob es sich um Leiterplatten- oder andere Leiterbahnprobleme, Erdungsprobleme, falsche Stifte usw. handelt.

Die externen Komponenten lassen den Oszillator symmetrisch aussehen, aber es gibt einen Verstärker auf dem Chip, der alles andere als ist. Der Oszillatorstift auf der Ausgangsseite hat eine niedrigere Impedanz, und wenn Sie den Oszilloskop-Tastkopf dort platzieren, wird er nicht annähernd so stark beeinflusst wie der Eingangsstift.

Wenn es oszilliert, hat der Ausgang eine größere Amplitude als der Eingang. Es kann auch keine sehr gute Sinuswelle sein. Die Eingangsseite ist niedriger und sollte eine Sinuswelle sein (die vom Kristall gefiltert wurde).

Wenn es nicht oszilliert, ist der Eingang lauter und sollte ungefähr die Hälfte der Versorgungsspannung betragen. Der Ausgangsstift sieht sauberer aus und befindet sich möglicherweise auf VDD oder Masse. Einige davon variieren mit dem Design des Chips (und der Konfiguration).

Wenn Sie einen empfindlichen Kommunikationsempfänger haben, wie er im Amateurfunk verwendet wird, der ein Kabel zwischen dem Antenneneingang des Empfängers und dem anderen Ende in einem Abstand von 2,5 cm vom Oszillator-Schaltkreis einhakt, ohne den Schaltkreis zu berühren, und den Empfänger auf die Quarzfrequenz abstimmt, Sie sollten einen Schlag hören. Und genau auf die Frequenz achten.