Como testar um ressonador de cristal na placa?

Eu tenho 2 ressonadores de cristal de quartzo na minha placa de circuito impresso: 32.768 kHz e 20 MHz. Eles estão conectados a um IC do transceptor Freescale MC12311, que possui um microcontrolador HCS08 incorporado. Quero testar se esses cristais estão funcionando corretamente ou não.

Ferramentas disponíveis : Osciloscópio, Medidor de frequência (contador digital), Multímetro digital.

Como devo usar essas ferramentas para testar os cristais no painel ?

• Nota : O efeito de carga capacitivo das sondas provavelmente deve ser considerado. Caso contrário, a medição não seria precisa ou, pior ainda, os cristais não funcionariam.

Edit1 : usei o osciloscópio e o medidor de frequência (com sondas x10), mas infelizmente não havia nada monitorado.

A meu ver, nenhuma resposta foi aceita. Deixe-me oferecer outra resposta.

Os CIs mais modernos usam o chamado Pierce Oscillator para gerar relógios estáveis ​​usando cristais. Aqui está a configuração do circuito principal:

Como se pode ver, o circuito não é simétrico: o lado direito é emitido por algum driver (geralmente designado como XO) e o lado esquerdo é inserido em um amplificador inversor (geralmente designado como XI). Portanto, é relativamente seguro sondar a extremidade XO (saída), desde que a sonda tenha uma impedância relativamente alta. Uma sonda passiva 1:10 usual com impedância de entrada de 1M deve fazer o trabalho. Na prática, o driver de saída no amplificador de circuito é intencionalmente fraco, normalmente com capacidade de carga não superior a 1mA, para evitar que o Xtal seja sobrecarregado, mas 1mA deve ser bom o suficiente para acionar uma sonda de alcance de 1M.

A capacitância da ponta da sonda pode mudar a frequência da oscilação em 20-50ppm, pois alterará a sintonia do circuito (carga Xtal, C1 em série com C2). No entanto, a carga da sonda no XO não deve interromper as oscilações, a menos que todo o circuito seja muito marginal e não atenda aos critérios de estabilidade (a impedância negativa do amplificador deve ser 3-5 vezes maior que a Xtal ESR). Se a análise fizer isso, considere o teste Xtal como falha.

Nunca se deve tentar investigar a entrada XI, talvez apenas com uma sonda de 100 MOhm, e apenas por curiosidade. O motivo não está na capacitância da ponta (2-8-12pF ou wahtever), mas em infligir um deslocamento CC no pino XI devido à impedância finita da sonda. O oscilador Pierce é um circuito não linear muito delicado e possui um componente de realimentação CC muito importante R1, que ajusta efetivamente o nível CC de entrada ao ponto de amplificação máxima, geralmente a meio caminho do solo até Vcc. O componente R1 é geralmente 1MOhm e acima, e as oscilações ficam centralizadas no ponto DC auto-selecionado. A conexão de uma sonda de 10MOhm muda esse ponto para baixo, as quedas de amplificação e as oscilações morrem.

E, é claro, a melhor maneira de testar oscilações não é tocá-lo com sondas, mas ter um buffer interno com saída para algum outro pino de teste GPIO.

Tive um problema de depuração semelhante uma vez com meus controladores Atmel ATMEGA328P, os ressonadores de cerâmica de 8Mhz aparentemente não estavam funcionando. Eu tinha um osciloscópio barato de canal duplo Rigol, e tinha escopo uma placa de trabalho que fiz anteriormente e o bom sinal de 8Mhz foi facilmente visto, sem problemas devido ao carregamento pelas sondas. Você não deve se preocupar com o efeito da sonda no cristal.

O principal problema que encontrei foi o meu controlador, destinado a acionar o cristal, não tinha os fusíveis definidos corretamente para usar o cristal externo. Depois que eu queimei os fusíveis para selecionar o cristal externo, os ressonadores mostraram sinais de vida!

Portanto, é realmente um bom ponto para garantir que seu microcontrolador conectado ao cristal tenha sido configurado para usá-lo; caso contrário, não há nada para gerar energia nele para fazê-lo oscilar. Depois de se certificar de que é esse o caso, você poderá começar a ver se há problemas de PCB ou outros traços, problemas de aterramento, pinos errados etc.

Os componentes externos fazem com que o oscilador pareça simétrico, mas há um amplificador no chip que é tudo menos isso. O pino do oscilador que está no lado de saída terá uma impedância mais baixa e a colocação da sonda de osciloscópio ali não afetará tanto quanto a sondagem do pino de entrada.

Se estiver oscilando, a saída terá uma amplitude maior que a entrada; também pode não ser uma onda senoidal muito boa. O lado da entrada será mais baixo e deve ser uma onda senoidal (tendo sido filtrada pelo cristal).

Se não estiver oscilando, a entrada será mais ruidosa e deve ser algo como metade da tensão de alimentação. O pino de saída terá uma aparência mais limpa e pode estar no VDD ou no terra. Parte disso varia com o design do chip (e a configuração).

Se você tiver um receptor de comunicação sensível, como os usados ​​no rádio amador, conecte um fio entre a entrada da antena do receptor e a outra extremidade a uma polegada do circuito do oscilador, sem tocar no circuito, sintonizando o receptor em torno da frequência do cristal, você deveria ouvir uma batida. E, localize a frequência exata.