32.768KHz是最常用的晶體頻率之一,大部分需要用到頻率石英組件的產品,基本上都會用到一顆或多顆高精度的32.768K晶振.它是數字時鐘,數字系統,數字顯示,計時定時,計量計算等模塊,必定會用到的頻率元件.近年來隨著技術水平的提高,32.768K也得到更廣泛的應用,和更精良的制造工序,使之性能得到進一步的提升,使用到產品身上,可以讓產品更精準更穩定的發揮.眾所周知,對石英晶體來說,頻率的穩定性極其重要,不穩定的晶體容易故障,停振甚至是加速壽命,而有效的負載電容,可以保持晶體的性能.

AVR單片機的32.768KHz晶振驅動器針對極低功耗進行了優化,因此晶振驅動器驅動強度有限.晶振驅動器過載可能導致振蕩器無法起振,或者可能導致其受到影響(暫時停止),例如,因污染或手接近引起的噪聲尖峰或容性負載增加所導致.這意味著在選擇和測試晶振時必須小心謹慎,以確保在您的應用中實現適當的穩健性.等效串聯電阻(ESR)和負載電容(Load Capacitance,CL)是兩個重要的晶振參數.

對晶振進行測量時,晶振應盡可能靠近32.768KHz振蕩器引腳放置,以減少寄生電容.通常,我們始終建議您在最終應用中進行測量.但是,對于晶振的初始測試,使用入門工具包(例如,STK600)即可.我們建議不要將晶振連接到STK600末端的XTAL/TOSC輸出插針(如圖3-1所示),因為信號路徑對噪聲非常敏感,從而會增加額外的容性負載.不過,將晶振直接焊接到引腳可獲得良好的結果.

為了避免從插座引入額外的容性負載以及在STK600上布線,我們建議向上彎曲XTAL/TOSC引腳(如圖3-2和圖3-3所示),使其不接觸插座.帶引腳的晶振(插孔式安裝)更容易處理,但也可通過引腳擴展將SMD直接焊接到XTAL/TOSC引腳,如圖3-4所示.也可以將晶振焊接到引腳間距較窄的封裝上(如圖3-5所示),但操作起來困難,需要保持手的穩定.圖3-1.不要將石英晶體連接到STK600末端的XTAL/TOSC插針.這將產生一個非常長的信號路徑,此路徑會增加寄生電容并對噪聲和串擾敏感.

容性負載對石英晶體振蕩器的影響很大,因此除非您擁有適合晶振測量的高質量設備,否則不應直接使用示波器探頭測量晶振.標準的10X示波器探頭施加10-15pF的負載,對測量結果有很大影響.用手指或10X探頭接觸晶振的引腳足以導致起振或停振或產生錯誤結果.本應用筆記隨附用于將時鐘信號輸出到標準I/O引腳的固件.與XTAL/TOSC引腳不同,I/O引腳可使用標準10X示波器探頭進行測量,而不會影響測量結果.

圖3-2.晶振直接焊接到彎曲的XTAL/TOSC引腳上

圖3-3.確保XTAL/TOSC引腳不接觸插座

圖3-4.SMD晶振通過引腳擴展直接焊接到MCU

圖3-5.還可使用引腳間距較窄的100引腳TQFP封裝(例如,ATmega6490、ATmega2560和ATxmega128A1),但在焊接時需要保持手的穩定

測量有效負載電容

晶振頻率取決于所施加的容性負載,如公式1-2所示.施加晶振數據手冊中規定的容性負載將得到非常接近32.768K石英晶體諧振器標稱頻率的頻率.如果施加其他容性負載,頻率將發生變化.如果容性負載減小,頻率將增大；如果負載增大,頻率將減小,如圖3-9所示.頻率牽引能力或帶寬(可通過施加負載強制使諧振頻率與標稱頻率偏移的量)取決于諧振器的Q因數.帶寬由標稱頻率除以Q因數得出,對于高Q值石英晶振,可用帶寬將非常有限.如果測量頻率偏離標稱頻率,則振蕩器穩健性降低.這是因為反饋環β(jω)中的衰減增大,導致要實現單位增益的放大器A的負載增大(見圖1-2).

公式3-3.帶寬

測量有效負載電容(負載電容和寄生電容之和)的最好方法是,測量振蕩器頻率并將其與標稱頻率32.768K石英晶體進行比較.如果測得的頻率接近32.768KHz,則有效負載電容將接近規范值.此過程可使用本應用筆記隨附的固件和可測量I/O引腳上時鐘輸出的標準10X示波器探頭來完成,或者,如果可能,使用用于晶振測量的高阻抗探頭直接測量晶振.有關更多詳細信息,請參見第4章測試固件.

圖3-9.頻率與負載電容

如果沒有外部電容,總負載電容將通過公式3-4計算得出.在某些情況下,必須添加外部電容(CEL1和CEL2)以匹配晶振數據手冊中規定的容性負載.如果使用外部電容,總容性負載將通過公式3-5計算得出.

公式3-4.無外部電容時的總容性負載

公式3-5.有外部電容時的總容性負載

圖3-10.具有內部、寄生和外部電容的晶振電路

測試固件用于將時鐘信號輸出到可能連接有標準10X探頭的I/O端口.如果您沒有用于此類測量的極高阻抗探頭,則不應直接測量晶振電極.編譯源代碼并將.hex文件編程到器件中.施加數據手冊中列出的工作范圍內的VCC,在XTAL1/TOSC1和XTAL2/TOSC2之間連接晶振,并測量輸出引腳上的時鐘信號.貼片晶振輸出比較引腳因器件而異,因此需要查看代碼以明確將輸出時鐘信號的I/O引腳.