Spannung am µC schwingt mit Quarz-Frequenz

[Robert S. (peterhacke)]

Hallo,

beim Überprüfen einer Schaltung mit einem ATmega32 16PU ist mir 
aufgefallen, dass die Versorgungsspannung am µC nahe des Quarzes (16 
MHz) schwingt. Die Amplitude der Schwingung an VCC (Lötstelle Sockel) 
beträgt 50 mV (Spitz-Spitze) und die Frequenz 32 MHz, letztere 
entspricht damit genau der doppelten Quarzfrequenz. An High-geschalteten 
Pins beträgt die Amplitude bis zu 200 mV bei gleicher Frequenz (siehe 
Anhang). An Low-geschalteten Pins ist die Amplitude deutlich geringer 
(<20 mV). Der µC scheint ordnungsgemäß zu funktionieren. Die 
Schwingungen treten auch auf, wenn der µC nichts zu tun hat (leeres 
Programm). An den Masseflächen kann ich keine signifikante Oszillation 
messen. Auf einem weitern Board mit anderem Design kann ein ähnliches 
Verhalten beobachtet werden.

Als Lastkondensatoren am Quarz verwende ich 2x 22 pF. Der Quarz befindet 
sich, insofern es die Dimensionen der Bauteile zulassen, so dicht wie 
möglich am µC, die Kondensatoren ebenfalls. Am µC ist die 
Versorgungsspannung mit 100 nF gegen GND abgesichert, etwas entfernt (~2 
cm) befindet sich noch ein 100µF Elko. Die Spannungsversorgung erfolgt 
entweder mit L7805 + 12V Batterie oder 5,2 V Akkupack. Die 
Spannungsversorgung sollte damit als Ursache ausgeschlossen werden 
können. Die gesamte Schaltung befindet sich auf einem selbst-geätzten 
Board.

Die Amplitude der Schwingung, insbesondere an High-Pins, erscheint mir 
zu hoch. Daher die Frage: Ist das normal bzw. hat jemand einen 
Ratschlag?
Was ist die Ursache für die doppelte Frequenz?

Ich freue mich über konstruktive Hinweise.

[Achim H. (pluto25)]

Die 100n sind zu schlecht, zu klein oder ungüstig positioniert. Ein 1µF 
Tantal und 100n MKT plus 10 Keramisch an jedem Chip ist die 
"Zauberformel" eines Bekannten: "Der Mix bringt's"

[A. S. (Gast)]

Strom messen.

Wenn er zu groß ist (30-40mA), Kurzschluss suchen.

[Wolfgang (Gast)]

Robert S. schrieb:
> Der µC scheint ordnungsgemäß zu funktionieren. Die
> Schwingungen treten auch auf, wenn der µC nichts zu tun hat (leeres
> Programm).

Ein µC hat immer etwas zu tun, es sei denn, er ist in einem Sleep Mode.
Leere Programme gibt es nicht.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Robert S. schrieb:
> die Versorgungsspannung am µC nahe des Quarzes (16 MHz) schwingt.

Nein.

> Die Amplitude der Schwingung an VCC (Lötstelle Sockel)
> beträgt 50 mV (Spitz-Spitze)

Das ist kein Schwingen. Nach jedweder Definition des Wortes. Du hast 
einen Ripple auf der Vcc-Leitung (oder der GND-Leitung, die du zum 
Messen benutzt). Das ist etwas ganz anderes. Und 50mV sind lächerlich.

> und die Frequenz 32 MHz, letztere
> entspricht damit genau der doppelten Quarzfrequenz

Klar. Mit jedem Umschaltvorgang, ergo mit jeder Flanke des Taktes, ergo 
mit der doppelten Taktfrequenz, nimmt der µC "etwas" mehr Strom auf. Das 
ist ein sehr alter Hut. Schau dir die Stromaufnahme eines CMOS-Gatters 
in Abhängigkeit von der Eingangsspannung an.

Das Problem wird im allgemeinen mit Abblockkondensatoren gelöst. Naja, 
zumindest entschärft. Ripple läßt sich nie ganz vermeiden. Aber 
zumindest so weit reduzieren, daß er nicht stört.

[Robert S. (peterhacke)]

Vielen Dank für die Antworten. Die Stromaufnahme liegt bei 20 mA.

Die bisher verwendeten 100 nF Keramikkondensatoren basieren u.a. auf der 
Einführung hier: 
https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_Equipment

Die 50 mV Ripple stören mich nicht weiter und würde ich auch nivht 
verwunderlich finden, ich war eher über die 200 mV an den High-Pins 
verwundert.
1µF Tantal habe ich nicht vorrätig, 1 µF MKS direkt am Sockel 
verkleinern den Ripple nur minimal.

[Jörg W. (dl8dtl) (Moderator)]

100 nF genügen. Das Problem sind eher die Induktivität zwischen den 
GND/Vcc Pins und den Abblockkondensatoren selbst. 1 mm Draht sind 
ungefähr 1 nH. Wenn du jetzt 10 nH (oder 10 nVs/A) da hast, deine 16 MHz 
machen Flanken von vielleicht 2 ns Breite und 100 mA Peak, dann würden 
sich daraus (wenn ich mich nicht verrechnet habe :) Spannungseinbrüche 
von

$$\Delta U = 10\cdot10^{-9}\frac{Vs}{A} \cdot \frac{0,1 A}{2\cdot10^{-9}s}$$

$$=5 \cdot 0,1 V$$

also 0,5 V ergeben. Vermutlich verschleifen sie etwas mehr, sodass die 
Zeit ein bisschen länger wird, das reduziert die Amplitude – aber ich 
denke, es ist gut zu sehen, dass selbst eher kleine Induktivitäten an 
dieser Stelle einfach ein Problem sind.

[Kurt (Gast)]

Oft zeigt ein schlecht angeschlossener Oszi-Tastkopf viel mehr 
Störpegel, als am Messpunkt vorhanden bzw. wirksam ist.

Bitte auf KURZE niederohmige Masseverbindung achten!

Gute Nacht.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Aeh... den 100uF Elko kannst du weglassen, der bringt nichts. Allerdings 
sollte jeder Versorgungspin einen 100nF haben. Praktischerweise haben 
die Mega32 immer einen GND neben einem VCC. Dazwischen machst du jeweils 
den 100nF. Vielleicht 5mm weg vom pin, damit die nebenliegenden Pins 
auch angeschlossen werden koennen.
Schema und Layout anbei. Ja, vierlagig.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hätte ich ein Oszilloskop mit 300 MHz oder mehr Bandbreite zur 
Verfügung, würde ich auch wesentlich mehr "sehen" als bisher.


mfg

[Wolfgang R. (Firma: www.wolfgangrobel.de) (mikemcbike)]

Christian S. schrieb:
> Hätte ich ein Oszilloskop mit 300 MHz oder mehr Bandbreite zur
> Verfügung, würde ich auch wesentlich mehr "sehen" als bisher.

Manchmal ist es besser, nicht alles zu sehen - funktioniert meist 
trotzdem einwandfrei.

ich gehe mit Kurt konform: viele Störungsbilder resultieren aus 
schlechter Tastkopfanbindung und sind nicht real in der Schaltung 
vorhanden.