Richtige Quarzbeschaltung von RTC an STM Controllern

[Markus S. (acepilot)]

Hallo zusammen,

Nachdem ich nun eine Schaltung mit einem STM32F103 Controller mehrfach 
aufgebaut und dabei Probleme mit der RTC bekommen habe, bin ich auf die 
Suche nach der richtigen Dimensionierung der Beschaltung gegangen. Es 
Scheint mir so, dass ich bei einer Bestellung fälschlicherweise 12.5pF 
anstatt 7pF RTC Quarze bekommen habe. Es wäre super, wenn jemand über 
meine Erkenntnisse drüber schauen könnte um sie zu bestätigen bzw. 
gegebenenfalls zu korrigieren.

Um ein Sicheres starten des Oszillators zu gewährleisten sollte

$$gain_{margin}$$

 kleiner als gm im Controllerdatenblatt sein. Ein sicheres Anlaufen 
erreicht man wenn

$$gain_{margin} \geq 5$$

Die ganze Sache kann folgendermaßen berechnet werden:

$$gain_{margin} = \frac{g_m}{g_{mcrit}}$$

Wobei gmcrit erst ermittelt werden will:

$$g_{mcrit} = 4 * ESR * (2*\pi*F)^2 * (C_0+C_L)^2$$

Suche ich nun nach einem Quarz mit folgenden Eigenschaften ESR = 35 
kOhm, C0 = 7 pF und nehme die im STM Datenblatt angegebene Kapazität für 
Boarddesign 4,5 pF (im Mittel) an, sollte ich doch als CL1 und CL2 ca. 
7pF Kerkos einsetzen.

Demnach würde sich folgende Berechnung ergeben:

$$g_{mcrit} = 4 * 35000 * (2*\pi*32768)^2 * (7^{-12}+8^{-12})^2 = 1,335 \frac{\mu A}{V}$$

$$gain_{margin} = \frac{g_m}{g_{mcrit}} = \frac{5}{1,335} = 3,745$$

Dies ist nicht ganz optimal aber so sollte der Quarz ja schon 
anschwingen, oder?

Eine generelle Frage bezüglich der Quarze bleibt für mich noch offen. 
Ist es tendenziell sinnvoll möglichst Quarze mit niedrigster CL zu 
nehmen oder würde das an andere Stelle wieder zu Problemen führen?

Gruß,
Markus

[pegel (Gast)]

Warum nimmst du nicht einfach was von ST empfohlen wird?

http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/c6/eb/5e/11/e3/69/43/eb/CD00221665.pdf/files/CD00221665.pdf/jcr:content/translations/en.CD00221665.pdf

Ab Seite 27.

[Markus S. (acepilot)]

Sicher kann man stumpf die Quarze aus der Tabelle raussuchen,  mir geht 
es aber auch um das prinzipielle Verständniss wie man es ohne die 
Tabelle richtig berechnet.

[pegel (Gast)]

Da ST anscheinend selbst eine Testreihe erstellt hat wünsche ich viel 
Spaß dabei ;)

[STM32 Experte (Gast)]

Also, ich baue fast täglich irgendwelche Schaltungen mit STM32 
Controllern auf. Ich hatte noch nie Schwierigkeiten mit dem 
Quarzoszillator. Ein 8 MHz Quarz und 2 Kondensatoren sollten dran, deren 
Größe ist aber absolut unkritisch. 10pF, 22pF, 27pF alles getestet, 
läuft. Selbst längere Verbindungsleitungen oder ohne Kondensatoren haben 
immer funktioniert. Da muss nichts umständlich berechnet werden.

[Markus S. (acepilot)]

STM32 Experte schrieb im Beitrag #5122387:
> Ein 8 MHz Quarz und 2 Kondensatoren sollten dran

Ja das sind auch meine Erfahrungen, aber es geht hier nicht um den Quarz 
für den HSE Zweig sondern um den LSE der die RTC antreibt. Und da 
scheint es so zu sein, das es dort eben nicht immer einfach so klappt 
mit irgendwelchen Werten.

[Soul E. (Gast)]

Wenn Du es professionell machst, lässt Du Deine Leiterplatte vom 
Quarzhersteller vermessen und den Quarz entsprechend anpassen. Der 
Quarzhersteller verrät Dir dann auch die für dieses Layout passenden 
Kondensatorwerte und Fusebit-Einstellungen.


Für den Hobbygebrauch gilt das von  STM32 Experte (Gast) gesagte. 
Standard-Quarz aus dem Katalog bestellen, aus eine ähnlichen Applikation 
übernommene Kondensatoren dran, und den Anschwingvorgang bei 
Raumtemperatur und bei Kalt beobachten.

Schwingt zu langsam an --> kleinere Cs
geht beim Anfassen aus oder die PLL spinnt --> größere Cs

[Gerd E. (robberknight)]

Markus S. schrieb:
> Sicher kann man stumpf die Quarze aus der Tabelle raussuchen,  mir geht
> es aber auch um das prinzipielle Verständniss wie man es ohne die
> Tabelle richtig berechnet.

Wenn Du nicht einen aus der Tabelle nehmen willst, solltest Du für den 
von Dir gewählten Quarz die Schritte in Kapitel 4.2 der oben verlinkten 
AN2867 durcharbeiten.

Generell kann man sagen daß die CL des Quarzes besser <=7pF sein sollte, 
die sind einfacher stabil zu bekommen.