Рисунок 5-2. Включение RQ последовательно с кристаллом для определения резонансной нагрузки
Проверка выполняется методом изменения емкости внешних конденсаторов от низкой емкостной нагрузки до нагрузки, при которой колебания в генераторе прекращаются. При выполнении этой работы убедитесь в надежности крепления конденсаторов. Избегайте применения каких-либо разъемов.
Имея величины CL1 и CL2 порядка 1-2 pF, запустите AVR и проверьте присутствие колебаний. При наличии измерителя тока он может быть применен для определения колебаний кристалла. Иначе такая проверка может быть выполнена с помощью небольшой тестовой программы, переключающей вывод одного из портов ввода/вывода. Увеличивайте CL1 и CL2 до тех пор, пока колебания в генераторе не прекратятся. С помощью формулы 5-3 определите коэффициент устойчивости. Рекомендуется иметь величину емкостной нагрузки такой, чтобы коэффициент устойчивости составлял 3 - 5.
Уравнение 5-3.
Где резонансная нагрузка RL определяется по уравнению 5-4.
Уравнение 5-4.
Где R1 и C0 берутся из справочного листка резонатора, а CL - это использованная емкостная нагрузка, рассчитанная по формуле 5-1.
В оптимальном тесте должна получиться кривая, отображающая функциональную зависимость коэффициента устойчивости от приложенной емкостной нагрузки. Имея такую кривую, следует знать, что не рекомендуется выбирать режим работы, соответствующий верхней точке кривой. Предпочтительной является точка, где кривая начинает спадать. Результат теста мог бы выглядеть, как показано на рисунке 5-3.
Рисунок 5-3. Кривая коэффициента устойчивости для заданного значения RQ.
В примере на рисунке 5-3 заштрихованная область означает безопасную зону. Как правило, для конкретного генератора коэффициент устойчивости должен быть выше 3 и находиться в безопасной рабочей зоне. При этом следует учитывать и другие факторы: необходимая минимальная емкостная нагрузка и максимальный уровень возбуждения.
5.4 Рекомендуемые величины емкостей
Рекомендации, приводимые здесь, будут хорошо работать в большинстве приложений, однако не получится дать общие величины для внешних конденсаторов, которые бы могли гарантировать работу со всеми резонаторами.
При использовании опции тактового сигнала "Ext. crystal oscillator" могут быть применены кварцевые резонаторы с номинальной частотой от 400 кГц и выше. Для этих стандартных «высокочастотных» резонаторов рекомендуемая величина конденсатора находится в диапазоне 22 - 33pF.
Опция "Ext. low-frequency crystal" предназначена для кристаллов с частотой 32.768 кГц. При выборе этого источника тактового сигнала требуемая емкостная нагрузка может быть обеспечена схемой внутреннего генератора. Пользователь имеет возможность подключить внутренние конденсаторы к XTAL1 и XTAL2 путем программирования конфигурационного бита CKOPT. Обычно величина внутренних конденсаторов составляет 20 pF, но может колебаться. При использовании кристалла на 32.762 кГц, которому не требуется большая нагрузка, чем указанна выше, внешние конденсаторы можно не подключать. В противном случае должна быть добавлена внешняя емкостная нагрузка. При этом следует использовать величину емкостной нагрузки, установленную производителем кристалла. Тогда величина внешних конденсаторов может быть определена по уравнению 5-2. В случае применения внешних конденсаторов конфигурационный бит CKOPT следует оставить незапрограммированным.
Для определения наличия в устройстве внутренних конденсаторов, пожалуйста, обращайтесь к его справочному листку. В устройствах, поддерживающих рабочие напряжения 1.8 - 5 вольт внутренние конденсаторы отсутствуют (исключением является ATMEGA162). Обратите внимание, чтоAT90S8535, ATMEGA163 и ATMEGA103 не имеют бита CKOPT. Вместо этого у них для подключения часового кристалла 32.768 кГц имеются отдельные выводы (TOSC1 - TOSC2).
При использовании опции, которая выбирает внешний керамический резонатор, настоятельно рекомендуется обращаться к справочному листку для определения необходимой величины конденсаторов. В силу того, что резонансная частота керамических резонаторов очень чувствительна к емкостной нагрузке, всегда используйте ее рекомендованное значение этой нагрузки.
5.5 Затягиваемость номинальной частоты при изменении емкостной нагрузки
Частота резонатора зависит от приложенной емкостной нагрузки. Применение емкостной нагрузки, указанной в справочном листке резонатора, обеспечивает близость частоты к номинальной (указанной частоте колебаний). В случае подключения другой емкостной нагрузки частота колебаний изменится. При увеличении нагрузки частота колебаний будет падать, а при уменьшении - увеличиваться. Затягиваемость частоты, показывающая как далеко может быть сдвинута резонансная частота от номинальной при подключении нагрузки, зависит от типа используемого резонатора или, фактически, от его добротности. Обычно кристаллы обладают очень высокой добротностью. Это означает, что затягиваемость резонансной частоты относительно мала. Некоторые кристаллы имеют особенно большие значения добротности, как например кристаллы на частоту 32.768 кГц, так как обычно они используются для задач, связанных с измерением времени, что требует точного поддержания частоты. Добротность керамических резонаторов низка, поэтому они более чувствительны к изменениям емкостной нагрузки.
Независимо от типа резонатора его частота может быть смещена путем изменения емкостной нагрузки. Однако при подключении большой нагрузки необходимо убедиться в том, что генератор способен запускаться при всех режимах работы. Если резонатор перегружен, могут быть проблемы с возникновением генерации, но, однажды запустившись, генерация редко срывается по причине перегрузки. Прикосновение к выводам резонатора, который не запускается, пальцем или щупом осциллографа может оказаться достаточным для запуска генерации. Поэтому бывает непросто определить факт перегруженности генератора.
Для определения затягиваемости частоты резонатора необходимо знать его «динамическую» емкость. Ее значение приводится не во всех справочных листках резонаторов. Поэтому рекомендуется не пытаться намеренно сдвигать резонансную частоту резонатора, не понимая лежащей за этим теории.
5.6 Несимметричные внешние конденсаторы
В помехонасыщенных средах уровень шумов может оказаться критическим для работы генератора. При очень сильных шумах возможно «блокирование» генератора и срыв генерации. Уменьшить чувствительность генератора к шумам позволяет небольшое увеличение емкости конденсатора, подключенного к высокоимпедансному входу генератора XTAL1. Увеличение емкости только одного конденсатора не оказывает сильного влияния на общую емкостную нагрузку. Однако несимметричные конденсаторы могут повлиять на резонансную частоту в больше степени, чем изменение общей емкостной нагрузки. К тому же несбалансированные емкостные нагрузки будут влиять на скважность колебаний и, таким образом, следует избегать использования несбалансированных емкостных нагрузок. Это особенно важно при работе микроконтроллера на частотах близких к предельным.
5.7 Резонаторы RTC
Многие устройства AVR способны использовать асинхронное тактирование встроенного таймера/счетчика. Благодаря этой особенности счетчик может быть применен в функциях реального времени. Для этого к выводам TOSCx микроконтроллера необходимо подключить кварцевый резонатор на частоту 32.768 кГц.
В некоторых микроконтроллерах AVR схема встроенного генератора обеспечивает емкостную нагрузку величиной примерно 20 pF. Для большинства распространенных кристаллов 32.768 кГц этого достаточно. Информацию о величине конденсаторов можно получить в справочном листке соответствующего микроконтроллера. Если внутренняя нагрузка недостаточна для используемого конденсатора, могут быть применены внешние конденсаторы.
5.8 Топология печатной платы
И, наконец, необходимо подчеркнуть важность физического размещения резонатора относительно микроконтроллера. Всегда размещайте резонатор как можно ближе к микроконтроллеру и экранируйте его, окружая слоем «земли».
5.9 Пример топологии печатной платы
На рисунке 6-1 (A-D) изображены схема и топология печатной платы, использующие кварцевый резонатор для ATmega8515. Показана развязка цифрового питания от VCC. Обратите внимание, что кварцевый резонатор окружен слоем «земли» и находится на очень малом расстоянии от ATmega8515.
Рисунок 6-1.
(A) базовая схема необходимых/рекомендуемых подключений к AT90S8515. (B) Топология печатной платы. (C) и (D) Распечатки слоев шелкографии на верхней и нижней сторонах печатной платы.