32.768KHz是最常用的晶体频率之一,大部分需要用到频率石英组件的产品,基本上都会用到一颗或多颗高精度的32.768K晶振.它是数字时钟,数字系统,数字显示,计时定时,计量计算等模块,必定会用到的频率元件.近年来随着技术水平的提高,32.768K也得到更广泛的应用,和更精良的制造工序,使之性能得到进一步的提升,使用到产品身上,可以让产品更精准更稳定的发挥.众所周知,对石英晶体来说,频率的稳定性极其重要,不稳定的晶体容易故障,停振甚至是加速寿命,而有效的负载电容,可以保持晶体的性能.

AVR单片机的32.768KHz晶振驱动器针对极低功耗进行了优化,因此晶振驱动器驱动强度有限.晶振驱动器过载可能导致振荡器无法起振,或者可能导致其受到影响(暂时停止),例如,因污染或手接近引起的噪声尖峰或容性负载增加所导致.这意味着在选择和测试晶振时必须小心谨慎,以确保在您的应用中实现适当的稳健性.等效串联电阻(ESR)和负载电容(Load Capacitance,CL)是两个重要的晶振参数.

对晶振进行测量时,晶振应尽可能靠近32.768KHz振荡器引脚放置,以减少寄生电容.通常,我们始终建议您在最终应用中进行测量.但是,对于晶振的初始测试,使用入门工具包(例如,STK600)即可.我们建议不要将晶振连接到STK600末端的XTAL/TOSC输出插针(如图3-1所示),因为信号路径对噪声非常敏感,从而会增加额外的容性负载.不过,将晶振直接焊接到引脚可获得良好的结果.

为了避免从插座引入额外的容性负载以及在STK600上布线,我们建议向上弯曲XTAL/TOSC引脚(如图3-2和图3-3所示),使其不接触插座.带引脚的晶振(插孔式安装)更容易处理,但也可通过引脚扩展将SMD直接焊接到XTAL/TOSC引脚,如图3-4所示.也可以将晶振焊接到引脚间距较窄的封装上(如图3-5所示),但操作起来困难,需要保持手的稳定.图3-1.不要将石英晶体连接到STK600末端的XTAL/TOSC插针.这将产生一个非常长的信号路径,此路径会增加寄生电容并对噪声和串扰敏感.

容性负载对石英晶体振荡器的影响很大,因此除非您拥有适合晶振测量的高质量设备,否则不应直接使用示波器探头测量晶振.标准的10X示波器探头施加10-15pF的负载,对测量结果有很大影响.用手指或10X探头接触晶振的引脚足以导致起振或停振或产生错误结果.本应用笔记随附用于将时钟信号输出到标准I/O引脚的固件.与XTAL/TOSC引脚不同,I/O引脚可使用标准10X示波器探头进行测量,而不会影响测量结果.

图3-2.晶振直接焊接到弯曲的XTAL/TOSC引脚上

图3-3.确保XTAL/TOSC引脚不接触插座

图3-4.SMD晶振通过引脚扩展直接焊接到MCU

图3-5.还可使用引脚间距较窄的100引脚TQFP封装(例如,ATmega6490、ATmega2560和ATxmega128A1),但在焊接时需要保持手的稳定

测量有效负载电容

晶振频率取决于所施加的容性负载,如公式1-2所示.施加晶振数据手册中规定的容性负载将得到非常接近32.768K石英晶体谐振器标称频率的频率.如果施加其他容性负载,频率将发生变化.如果容性负载减小,频率将增大；如果负载增大,频率将减小,如图3-9所示.频率牵引能力或带宽(可通过施加负载强制使谐振频率与标称频率偏移的量)取决于谐振器的Q因数.带宽由标称频率除以Q因数得出,对于高Q值石英晶振,可用带宽将非常有限.如果测量频率偏离标称频率,则振荡器稳健性降低.这是因为反馈环β(jω)中的衰减增大,导致要实现单位增益的放大器A的负载增大(见图1-2).

公式3-3.带宽

测量有效负载电容(负载电容和寄生电容之和)的最好方法是,测量振荡器频率并将其与标称频率32.768K石英晶体进行比较.如果测得的频率接近32.768KHz,则有效负载电容将接近规范值.此过程可使用本应用笔记随附的固件和可测量I/O引脚上时钟输出的标准10X示波器探头来完成,或者,如果可能,使用用于晶振测量的高阻抗探头直接测量晶振.有关更多详细信息,请参见第4章测试固件.

图3-9.频率与负载电容

如果没有外部电容,总负载电容将通过公式3-4计算得出.在某些情况下,必须添加外部电容(CEL1和CEL2)以匹配晶振数据手册中规定的容性负载.如果使用外部电容,总容性负载将通过公式3-5计算得出.

公式3-4.无外部电容时的总容性负载

公式3-5.有外部电容时的总容性负载

图3-10.具有内部、寄生和外部电容的晶振电路

测试固件用于将时钟信号输出到可能连接有标准10X探头的I/O端口.如果您没有用于此类测量的极高阻抗探头,则不应直接测量晶振电极.编译源代码并将.hex文件编程到器件中.施加数据手册中列出的工作范围内的VCC,在XTAL1/TOSC1和XTAL2/TOSC2之间连接晶振,并测量输出引脚上的时钟信号.贴片晶振输出比较引脚因器件而异,因此需要查看代码以明确将输出时钟信号的I/O引脚.