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Um noch etwas über Quarze zu berichten. Ich experimentiere momentan selber mit MSP430-µControllern mit einem externen Uhrenquarz als Taktgeber. Warum? Weil die Dinger dann seeehr wenig Strom verbrauchen aber dennoch einige nützliche (Mess-)Funktionen ausführen können.
Ich hatte hier ja schon einmal kurz im Thread "Pendeluhr" berichtet, wie ich einen simplen Versuch mit der DIP-Variante des µControlers durchgeführt habe. Das funktionierte auch reibungslos. Dem Controller können intern per Software verschiedene Kapazitäten zugeschaltet werden. Ich hatte 6pF eingestellt und die Schaltung funktionierte sehr gut, auch ohne externe Kondensatoren.
µController mit externem Uhrenquarz (32,768 kHz)
Dasselbe habe ich mit einer SMD Variante (TSSOP) versucht, einfach weil ich wissen wollte, ob sich der Controller gleich verhält wie die DIP-Variante. Für den Fall, dass der Controller in einer dauerhaften Schaltung eingesetzt werden soll, würde ich nämlich ein PCB mit der kleinen SMD Variante vorziehen.
PCB-Adapter für SMD-Komponenten
Also habe ich den Controller auf einen SMD-Adapter aufgelötet und diesen statt der DIP-Variante für die oben dargestellte Breadbord-Schaltung benutzt. Diese Adapter-PCBs gibt es recht günstig im Onlinehandel für verschiedenstes IC-Bauformen (Footprints). Auf dem Foto sieht man links, wie so ein Adapter aufgebaut ist. Er hat auf Ober- und Unterseite Leitungsbahnen für zwei verschiedene Footprints, welche die Pins eines µControllers mit an beiden Seiten einlötbaren Steckleisten verbindet.
Mein erster Versuch mit solch einem Adapter schlug jedoch fehl. Der Oszillator wollte einfach nicht zu schwingen anfangen. Also habe ich auf dem Breadboard externe Kondensatoren zwischen den beiden Quarzanschlüssen und GND eingesetzt (15pF). Es hat nichts genutzt.
Die Leitungswege zwischen Quarz und den XTAL Anschlüssen waren recht lang. Durch den Adapter kann der Schwingquarz auf einem Breadboard nicht so dicht an den Pins angebracht werden wie bei einem µController in DIP Bauform. Also habe ich den Chip auf einen anderen Adapter aufgelötet und die XTAL Pins nicht mit einem Steckleistenanschluss versehen, sondern den Quarz direkt an die µController Anschlüsse angelötet (Foto Mitte). Dafür habe ich die Lötlöcher verwendet, die eigentlich für die Steckleistenpins gedacht sind. Aber auch das hat nichts gebracht. Ich bekam keinen Arbeitstakt.
Externe Kondensatoren mit einer Seite direkt an den Quarz zu löten und die andere Seite mit GND auf dem Breadboard zu verbinden, war ebenfalls erfolglos. Ich bekam einfach keinen Takt. Dann habe ich noch die Leiterbahnen auf der Unterseite des Adapters in Quarznähe weggekratzt, weil ich vermutete, dass die evtl. noch einen Einfluss haben. Es hat nicht geholfen.
Darum habe ich einen eigenen Adapter entworfen (Foto rechts, Screenshot unten), der die Pads für das Auflöten von zwei SMD-Kondensatoren mitbringt. Diese sind auf der Unterseite (blau) angebracht, damit die Leiterbahnen von den µController-Pins, die nichts mit dem Quarz zu tun haben, ohne Umweg an die Steckleistenpins geführt werden können. Ansonsten besteht die Unterseite nur aus einer Kupferlage die an GND angeschlossen ist.
PCB-Adapter
Nachdem ich den µController abermals umgelötet habe (der hält ganz schön was aus - Foto oben rechts), hat mein erster Versuch ohne externe Kondensatoren auf Anhieb funktioniert. Ich hatte sofort einen passenden Takt. Aber nur einmal!
Nach dem Ausschalten und erneuten Anschalten bekam ich wieder keinen Takt. Ich habe erst versucht die verschiedenen internen Kapazitäten per Software zu verwenden aber es hat einfach nicht funktioniert. Also habe ich zwei 15pF Kondensatoren auf die dafür vorgesehenen Pads aufgelötet. Seit dem funktioniert der Oszillator anstandslos und stabil. Auch nach mehrmaligen An- und Ausschalten schwingt sich der Quarz zuverlässig ein.
Der Einschwingvorgang dauert recht lange.
Einschwingvorgang Uhrenquarz
Wie man auf dem Oszillogramm sehen kann, erfolgte bei ca. -7,5 Sek. der Einschaltvorgang (0 auf 3V). Es steht ein Minus vor der Zahl, weil der Trigger rechts eingestellt ist. Dann passiert ca. zwei Sekunden erst einmal gar nichts, bis endlich bei ca. -5,4 Sek. der Oszillator zu schwingen beginnt. Allerdings ist das am Anfang auch noch nicht der endgültige Takt. Der stellt sich erst nach weiteren ca. 4,5 Sekunden ein. Danach schwingt der Oszillator sehr genau (gleichmäßig), in meinem Fall aber ein wenig zu schnell. Das sieht man an folgendem Maskentest
Maskentest
Der Test lief eine halbe Stunde lang. Die weiße Umrandung ist der Rahmen in dem sich ein Signal bewegen kann. Das abgebildete Signal wird durch einen Timer einmal pro Sekunde erzeugt. Es ist nichts anderes als ein PWM-Signal. Käme es zu zeitlichen Schwankungen oder anderen Störungen, würde der Rahmen "verlassen" und ein Fehler erzeugt. Wie man sieht, ist in dem Messzeitraum kein Fehler aufgetreten, aber es ist ein Signal zu viel vorhanden.
Es ist also noch etwas Feintuning angesagt und das muss ich noch genauer untersuchen.
Fazit: Mit externen Taktquellen kann es komplizierter werden als man im ersten Moment denkt, weil da doch einiges zu beachten ist. Es sind zwar in Datenblättern und/oder Literatur Formeln zur Berechnung von Kondensatoren angegeben, nur, wie soll man mit seinem Heimequipment beispielsweise die Kapazität einer Leiterbahn messen? Die angegebenen Werte sind schwer zu fassen. Darum ist meiner bisherigen Erfahrung nach, einiges an Experimentierlust notwendig.
Wenn man Quarze dann noch in irgendeinem Chinashop oder beim Onlinehändler ohne Datenblatt kauft, wird es auch nicht einfacher.