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【Easy-Key】32.768K晶体电路匹配设计

EasyKey易捷2019-02-16 16:01:44

在设计一个32位MCU作为工控机协处理的控制器项目时,外接了8M的有源晶振和32.768K的无源晶体。当时采用的是一颗国产插件的32.768K无源时钟,在整个系统运行时,发现这个时钟有些能够起振,有些不起振,在网上查了很多资料,说法各一,也尝试了很多方法,最终还是没法完全解决这个问题。机缘巧合时找到了Easy-Key的工程师,Easy-Key根据我的设计需求并结合无源晶体的原理及设计方案,推荐了合适的芯片,最终解决了这个问题。


下面大概复述一下晶体的原理介绍。如图1所示,Rf和74HCU04为晶振的内部结果,主要通过调整CG和CD来实现频率调整,公式如下:

CL=[(CG x CD)/(CG + CD)] + CS

CS为电路的杂散电容。每颗晶振都是有不同的负载电容CL,只有通过实际计算才能得出电路板的CS,才能最终选取晶振的CL。


图1:32.768K晶振的原理


根据沟通的容,我们测算出了杂散电容,选取相近的CG,CD,最终计算出CL,最后推荐了FC-12D,CL=12.5pF的电容。实际电路板的CS测算出是3.5pF,由于晶振的CL有6pF-15pF不等的值,通过一些系列计算,选取CG=CD=18pF,CL=[(CG x CD)/(CG + CD)] + CS=12.5pF。通过EPSON实际选取的晶振,在进行实际测算,32位MCU再也没有出现不起震的问题了。


电路原理图见图2所示,外接两个18pF电容到地,不用的管脚直接接地。

 

图2:FC-12D电路原理图


最后,根据本次项目经验我总结了在我们对晶振实现选型时的四大注意事项:

1)不管有源晶振还是无源晶体,均需要根据要求选取电压、输出频率、频率误差、输出波形的方式(方波,正弦波,差分等)和工作温度等;


2)在选取无源晶体的时候,对地电容可选取COG等高可靠性的电容,可以增加整个系统的寿命;


3)在选取无源晶体的时候需要注意封装,有贴片和插件的,圆柱形插件的最好直接接地,四脚插件的多余的脚可以悬空,最好也接地处理;


4)布线的时候需要特别注意,晶振属于干扰源,应该越靠近MCU越好,晶振下面最好不要走线。此外,晶振附件不要有一些高速走线,以免受到晶振的干扰。同时晶振还要做好滤波处理,免得影响晶振的输出,高频晶振四周最好用大地包围,对EMI有很大的好处。


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