Как подобрать кварцевый резонатор и генератор к микроконтроллеру

Источник тактовой частоты определяет, будет ли микроконтроллер работать устойчиво во всём диапазоне температур и уложится ли устройство в требования по точности времени и по скорости обмена. Кварцевый резонатор, керамический резонатор и генератор решают одну задачу разными средствами и различаются по точности на три порядка — от сотен миллионных долей до единиц.

Разберём, чем они отличаются, как читается нагрузочная ёмкость, по каким параметрам ведётся подбор и какие ошибки в обвязке приводят к нестабильному запуску. Компоненты лежат в разделах кварцевых резонаторов, керамических резонаторов, генераторов и частотозадающих компонентов в целом.

Чем различаются три варианта

• Кварцевый резонатор. Пассивный компонент из двух выводов. Задаёт частоту, но колебания поддерживает усилитель внутри микроконтроллера. Точность — единицы и десятки миллионных долей, стабильность по температуре высокая. Требует внешней обвязки из двух конденсаторов.
• Керамический резонатор. Тот же принцип, но резонатор выполнен из пьезокерамики. Точность на порядок-полтора ниже — сотни и тысячи миллионных долей. Дешевле, компактнее, часто выпускается со встроенными конденсаторами. Запускается быстрее кварца.
• Генератор. Активный компонент: кварц и схема поддержания колебаний в одном корпусе, на выходе готовый прямоугольный сигнал. Требует питания, зато не зависит от параметров усилителя микроконтроллера и не требует подбора обвязки.
• Термокомпенсированный генератор. Генератор со схемой компенсации температурного ухода. Точность порядка десятых долей миллионной доли, применяется там, где важна привязка ко времени.
• Внутренний генератор микроконтроллера. Точность обычно 1–2 % при заводской калибровке и до 5 % без неё. Годится для задач, где точная частота не требуется.

Нагрузочная ёмкость и расчёт обвязки

Кварцевый резонатор рассчитан на работу при определённой ёмкости нагрузки — она указана в документации и составляет обычно от 8 до 20 пикофарад. Схема на плате должна обеспечить именно это значение: при отклонении частота уходит, а при значительном расхождении колебания не запускаются.

1. Два конденсатора обвязки. Ставятся от каждого вывода резонатора на общий провод. Для одинаковых конденсаторов их ёмкость приближённо равна удвоенной нагрузочной ёмкости резонатора за вычетом удвоенной паразитной ёмкости схемы.
2. Паразитная ёмкость. Складывается из ёмкости выводов микроконтроллера и ёмкости печатных проводников. Типичное значение — 3–6 пикофарад, и пренебрегать им нельзя: на резонаторе с нагрузочной ёмкостью 8 пикофарад оно составляет заметную долю.
3. Пример. Для резонатора с нагрузочной ёмкостью 12 пикофарад при паразитной ёмкости 5 пикофарад требуются конденсаторы около 14 пикофарад — ближайший стандартный номинал 15 пикофарад.
4. Тип конденсаторов. Только температурно-стабильные керамические конденсаторы первого класса. Конденсаторы второго класса меняют ёмкость с температурой и напряжением на десятки процентов, и частота уплывает вслед за ними.

Параметры, по которым ведётся подбор

Как выбрать вариант под задачу

• Часы реального времени. Резонатор на 32 768 Гц с точностью 20 миллионных долей. Уход в 20 миллионных долей даёт примерно минуту в год; если требуется точнее, ставится термокомпенсированный модуль.
• Последовательный обмен без опорного сигнала. Требование по суммарному отклонению обычно составляет 2–3 %, что покрывает даже керамический резонатор. Для интерфейсов с автоподстройкой требования мягче.
• Интерфейс USB. Суммарное отклонение не должно превышать 0,25 % для полноскоростного режима. Керамический резонатор на границе диапазона температур в это укладывается не всегда, и обычно ставится кварц.
• Сетевые интерфейсы и радиомодули. Требования жёсткие — единицы и десятки миллионных долей, задаются стандартом на протокол. Здесь применяются кварцевые резонаторы высокой точности или генераторы.
• Измерительная техника. Когда от частоты зависит результат измерения, выбирается термокомпенсированный генератор, а точность подтверждается поверкой.
• Простая логика и управление. Внутреннего генератора микроконтроллера достаточно, внешний компонент не нужен и только занимает место на плате.

Ошибки в схеме и на плате

• Длинные проводники до резонатора. Увеличивают паразитную ёмкость и собирают помехи. Резонатор располагается вплотную к выводам микроконтроллера.
• Проводники под резонатором. Сигнальные цепи, проходящие под корпусом или между выводами, вызывают наводки. Под резонатором оставляется участок общего провода без посторонних трасс.
• Отсутствие ограничительного резистора. В схемах, где усилитель микроконтроллера мощнее требуемого, резонатор перегружается по мощности возбуждения, что ускоряет старение. Последовательный резистор ограничивает мощность.
• Резонатор с высоким эквивалентным сопротивлением. При недостаточном запасе усиления колебания либо не запускаются, либо запускаются не при каждом включении и не при всех температурах. Проверяется предельное значение, указанное производителем микроконтроллера.
• Конденсаторы не того класса. Самая частая причина ухода частоты при нагреве платы.
• Остатки флюса под корпусом. Создают утечки и меняют добротность контура. После пайки участок отмывается.

Частые вопросы

Что будет, если поставить конденсаторы большего номинала? Частота сместится вниз, а запуск станет менее надёжным из-за возросших потерь. При значительном превышении колебания не возникнут вовсе.

Можно ли заменить кварцевый резонатор керамическим той же частоты? Можно, если требования к точности это допускают. Проверяются суммарное отклонение с учётом температуры и старения и совместимость по нагрузочной ёмкости — у керамических резонаторов со встроенными конденсаторами обвязка не нужна.

Зачем нужен генератор, если кварц дешевле? Генератор снимает вопрос согласования с усилителем микроконтроллера и подбора обвязки, выдаёт готовый сигнал на несколько микросхем сразу и упрощает разводку. Его выбирают, когда важна предсказуемость результата, а не минимальная стоимость.

Как проверить, что резонатор работает в расчётном режиме? Измеряется частота на выходе тактового сигнала и оценивается амплитуда колебаний — измерение непосредственно на выводах резонатора искажает результат из-за ёмкости щупа. Для точной проверки используется щуп с малой входной ёмкостью или выводится тактовый сигнал на отдельный вывод.

Насколько сильно частота уходит за годы? Старение кварцевых резонаторов составляет обычно единицы миллионных долей в первый год и меньше в последующие. Для часов реального времени за пять лет накапливается уход, сопоставимый с начальной точностью.

Что мы делаем

Подбираем кварцевые и керамические резонаторы, генераторы и обвязку под конкретный микроконтроллер с проверкой нагрузочной ёмкости и допустимого эквивалентного сопротивления, подбираем аналоги снятым с производства позициям, комплектуем плату сопутствующими пассивными компонентами — керамическими конденсаторами нужного класса и фильтрами по питанию. Выполняем подбор микроконтроллера и обвязки и поставку компонентов под заказ.

Пришлите обозначение микроконтроллера, требуемую точность и диапазон температур на micro@tkasiatorg.ru — подберём источник тактовой частоты с обвязкой и дадим спецификацию с ценами и сроками поставки.