¿Qué cristal de estabilidad de frecuencia necesitamos?

Demasiado largo para leer todo eso, así que aquí está la historia corta.

De los comentarios debajo de la pregunta, Trevor dice esto: -

Creemos que las mayúsculas son correctas. Tenemos 2x 15pf a tierra. El cristal que estamos usando es este.

Pero, la parte vinculada es un dispositivo de 6 pF (que requiere una sintonización de 2 x 12 pF): -

Entonces, probablemente esté usando la capacitancia de carga incorrecta y, a continuación (la larga historia) es cómo eso podría cambiar las cosas...

Un poco de cosas de fondo primero

El modelo de cristal a continuación se hizo observando varias ofertas estándar de cristales de 10 MHz y luego formando un circuito equivalente "promedio". Ambos lados del cristal son CL1 y CL2 (los condensadores de carga). En serie con el extremo conducido (V1) del circuito, está R1. Todos estos componentes aseguran que el cristal "cante" a la frecuencia escrita en la lata: -

Los valores del modelo provocan una resonancia en serie de exactamente 10.000.000,1403 Hz. Pero, un cristal nunca puede usarse a esa frecuencia exacta; tiene que operar ligeramente "inductivamente" según este diagrama: -

Pasemos a los errores de frecuencia observando la respuesta de CA de la simulación completa.

Errores de frecuencia de cristal debido a cambios en la carga capacitiva

El gráfico muestra algunos cambios de frecuencia típicos cuando se altera la carga capacitiva en pasos de 5 pF: -

Aquí es importante la frecuencia a la que el cambio de fase entre Vin (la salida de la puerta lógica inversora) y Vout (la señal retroalimentada a la entrada de la puerta inversora) es de 180°. Debido a que la puerta es un inversor, obtiene oscilación cuando el cambio de fase es precisamente de 180°.

Con una carga de 2 x 20 pF, la frecuencia de oscilación es de 10,00137 MHz. Si la carga cambia a 2 x 15 pF, la frecuencia de oscilación se convierte en 10,00165 MHz. Eso es un cambio de 280 Hz en 10 MHz y equivale a 28 ppm.

¿Ves el problema aquí?

También se producen ligeros cambios debido al cambio del valor de la resistencia de conducción.

Es un efecto menor que el visto por los cambios en el condensador de carga pero, sin embargo, es un efecto que podría mejorarse. Los resultados anteriores son con una carga de 2 x 20 pF.

Los retrasos en la propagación de la puerta pueden causar cambios

No importa qué tan bueno sea el cristal, o qué tan cuidadosamente haya elegido los valores de los componentes a su alrededor, si la puerta del inversor tiene un desempeño deficiente, obtendrá errores de frecuencia de oscilación y posiblemente una deriva de frecuencia excesiva. Considere el inversor 74AC04: -

Las cifras de retardo de propagación citadas para los flancos ascendentes y descendentes suelen ser de alrededor de 5 ns, pero podrían llegar a los 10 ns. Esto significa un tiempo de retardo de salida general de 10 ns y, considerando que estamos viendo un oscilador de 10 MHz, 10 ns equivalen a agregar 36° de cambio de fase. Esto se alivia con el tipo de circuito utilizado; estamos operando la puerta de manera semilineal y no ocurriría una saturación profunda de los MOSFET de salida, pero se podría esperar algo así como 20 ° de cambio de fase equivalente.

Esto significa que el circuito de cristal cargado solo tiene que producir un desplazamiento de fase de 160° para crear oscilación: -

Entonces, básicamente, si la puerta que se usa para convertir el cristal en un oscilador es un poco escamosa y se desvía, obtienes más errores. Bien, esto es un problema menor para un cristal de 32,768 kHz que para un cristal de 10 MHz porque los retrasos de puerta representan un error proporcionalmente menor.

Sin embargo, aún debe verificar que no esté usando algo realmente malo porque el error podría ser significativo.

Imágenes (y algo de texto) tomadas de mi sitio web de mierda .

Resumen

• Obtenga la capacitancia de carga de cristal correcta: use buenos capacitores y asegúrese de comprender cuál es la capacitancia de entrada de la puerta y otros capacitores parásitos.
• Asegúrese de estar utilizando la resistencia en serie del valor correcto. Para un cristal de 32,768 kHz, esto es excepcionalmente vital (no solo porque podría dar un error, sino porque podría dañar fácilmente el cristal con demasiada potencia).
• Asegúrese de tener una puerta decente para el oscilador.

¿Puedo preguntar qué tipos de cristales usa la gente cuando construye un reloj normal?

Y

Entonces, ¿qué deberíamos estar usando? ¿Un cristal de 5ppm o uno de 20ppm y ajustar manualmente cada uno?

Me parece que necesita observar lo anterior y tener en cuenta que puede modificar un cristal para obtener una mayor precisión inicial.

Recordatorio sobre la discrepancia de capacitancia de carga

El enlace del mouser al cristal parece decir que la carga es de 6 pF, por lo que, idealmente, está formada por condensadores de 2 x 12 pF y no de condensadores de 2 x 15 pF. Entonces, probablemente debería asumir que la entrada de la puerta tiene 2 pF de capacitancia y que puede haber 0.5 pF de capacitancia parásita en el dispositivo debido a la PCB y su seguimiento.

Con todo, parece que puede estar exagerando la capacidad de carga y, muy posiblemente, debería apuntar a más de 2 x 10 pF y no a 2 x 15 pF.

Vuelva a verificar la potencia de su unidad también porque con una carga de 2 x 15 pF, es posible que esté poniendo demasiada potencia en su cristal (el nivel de la unidad que se cita en los datos es de 1 μW como máximo).

Como idea de último momento, si el dispositivo se ejecuta de manera predecible de manera diferente al tiempo real, entonces, podría hacer una compensación en el software. Pero debe estar muy seguro de esto para que no se trate de una deriva cíclica basada en mucho tiempo.

Si tiene un medio adecuado para medir la frecuencia, puede ajustar uno de los topes de carga con un trimcap para acercarse al ideal. Sin embargo, necesitará algún medio de medición sin alterar la frecuencia (ciertamente no puede simplemente colocar una sonda en el pin de cristal).

Tal vez pueda encontrar una forma de generar una versión dividida y amortiguada del reloj, como 8,192 Hz. Para ajustar la frecuencia a una tolerancia de 10 segundos por mes, necesita 1 parte en 260 000, es decir, unos 6 dígitos de resolución. Un contador de frecuencia recíproco funcionaría, o podría dividirlo por otros 8192 (digamos) y medir el ancho del pulso con una resolución de un microsegundo más o menos. Los primeros relojes digitales usaban una pantalla LED (presione un botón para la hora) y se emitió una patente, si la memoria no me falla, para usar la frecuencia múltiplex de la pantalla LED como una salida óptica para la calibración (ya que se derivó de un divisor de hardware). ).

Alternativamente (y probablemente la opción que sugeriría) si puede soportar un consumo de corriente un poco más alto (posiblemente), puede reemplazar el cristal con un oscilador que ya está recortado para que sea lo suficientemente preciso. Si busca osciladores de 32,768 kHz en un distribuidor, puede encontrar varios TCXO (osciladores de cristal con compensación de temperatura) disponibles, como el 5uA SiT1566 con una estabilidad de +/- 3 ppm o +/- 5 ppm. Si está dispuesto a rediseñar para usar un oscilador de frecuencia más alta y no le importa el consumo de energía, puede obtener osciladores TXCO de tolerancia muy estrecha y baja deriva con precisión y estabilidad en el rango de sub-1ppm (sin horno) o mejor con horno ( OCXO). Naturalmente, el costo y el consumo de energía tienden a aumentar con el aumento de la precisión y la estabilidad, y en algún momento los módulos de reloj atómico en miniaturaingrese al juego, pero están en el rango de $ 1K. Los de escala de chip son aún más impresionantes, pero alcanzan el rango de $ 5K. Teniendo en cuenta que los cristales cilíndricos de 32,768 kHz de +/- 3 ppm se venden por 2-3 centavos, ese es un rango de costo de 53 dB para quizás un rango de precisión de 5000: 1.

Esos son demasiado caros (£ 0.81 / 2k) Swiss 20 ppm Xtals . Puede obtener un oscilador de cristal de <= 5 ppm por no mucho más ($ 1.58us 3k). no se necesitan gorras. Con más esfuerzo de búsqueda, puede obtener XO de 1 o 2 ppm por el mismo precio. Pero sus especificaciones de presupuesto y tolerancia no están claras.

Previamente sobreestimé su error inusual.

Es alto pero no tonto alto. 2.5min/60m/24h/30d= error= 58 ppm. Su hoja de datos dice que hay varias opciones de carga (6.0 7.0 9.0 10.0 12.5) No esperaría que las hicieran para cada una, sino que solo prueben y clasifiquen en contenedores de error de frecuencia frente a la carga C y los vendan de esta manera...

Lower C también reduce la corriente del controlador en un RTC y puede obtener un RTC integrado con XO por una libra extra.

Realizaría un análisis de sensibilidad de causa raíz y validaría todas las suposiciones, como la precisión del límite. Pero puede que no.

La sensibilidad para reducir la frecuencia se puede calcular y simular, mientras que los límites no necesitan ser iguales. Comenzaría agregando 50 pF en la entrada, lo que eleva la carga a 12 pF con la salida a 15 pF en serie. Eso debería reducir la f de 30 a 60 ppm.

Luego mida el error y haga una muestra de Xtals(X) y calcule la desviación estándar y el error medio para calcular el rendimiento de 3 sigma. O use el cálculo de capacidad de proceso "Cpk".

Se podría hacer rápidamente en un tablero de prueba. Un plano de tierra agrega protección EMI y algunos pF.

Puede haber una sensibilidad de 5 a 10 ppm para Vdd y la serie R si no se agregan.

Muchos "relojes digitales simples" que veo en estos días usan la señal de tiempo de transmisión para mantenerse exactamente precisos durante períodos más largos.

Si bien esto exige algunos circuitos adicionales, elimina la necesidad de un oscilador costoso.

Alternativamente, puede calibrar la compensación de frecuencia de cada reloj porque la estabilidad suele ser mucho mejor que la precisión inicial (consulte el comentario de @TimWescott), pero eso es prohibitivo para una pieza producida en masa.

Muchas buenas respuestas en cuarzo ya. Puedo ver otras dos soluciones:

1. Utilice RTC externo con cristal integrado como Maxim DS3231, Epson RX6110SA y muchos otros. Que está calibrado con láser y tenía un consumo de energía muy bajo.

2. Utilice un receptor de GPS que ofrezca una precisión de reloj casi atómica tan pronto como reciba la señal de GPS. El módulo GPS tiende a ser pequeño y barato ahora, pero el consumo es mucho mayor