Il CLOCK

OSCILLATORE con QUARZO ESTERNO

Si tratta del sistema standard comune a tutti i microcontroller: un quarzo viene collegato esternamente al chip utilizzando due pin dedicati.

Sono previsti vari modi, denominati LP, XT e HS. 
Va notato, inoltre, che svariati PIC consentono anche i modi XTPLL e HSPLL, dove all'oscillatore guidato dal quarzo viene fatto seguire il PLL che ne moltiplica la frequenza x 4.

Per tutti è necessario collegare esternamente ai pin OSC1 / OSC2 un componente XTAL che può essere:

• un quarzo o un risonatore ceramico a due pin, a cui vanno aggiunti i due condensatori C1 e C2
   

• oppure un risonatore ceramico a tre pin, che contiene i due condensatori.

E' da notare che il quarzo deve avere risonanza parallela e non serie, perchè in questo caso probabilmente non oscillerà alla giusta frequenza. 

La resistenza Rs è opzionale con i cristalli normali e serve ad evitare un sovrapilotaggio del quarzo; diventa indispensabile con i cristalli low power. Il suo valore può variare tra qualche centinaio di ohm e molte decine di kohm a seconda del quarzo usato. 

La resistenza Rf di carico del circuito oscillante linearizza in gate oscillatore e dipende da come è configurato l' oscillatore . Una Rf è già integrata nel package, ma,  a seconda delle caratteristiche del quarzo, può essere richiesta o meno una Rf esterna, solitamente di valore elevato. Ad esempio praticamente alcune evaluation board di Microchip utilizzano in parallelo agli ingressi OSC una resistenza da 1 Mohm.

In generale, usando quarzi adatti a microcontroller, non è necessario inserire Rf esterna, mentre la Rs si rende indispensabile se viene utilizzato un quarzo low power, ad esempio il classico 32kHz del genere per orologeria .
La necessità di resistenze addizionali, così come la necessità di variare i valori dei condensatori, può essere individuata dal fatto che il valore del clock ottenuto si discosta da quello che il quarzo dovrebbe generare.

Le modalità con cristallo esterno si differenziano per l' energia che il PIC fornisce al cristallo per oscillare. Le modalità LP, XT e HS sono del tutto analoghe in tutti i PIC:

I valori dei condensatori vanno calibrati sulle caratteristiche dei vari cristalli e, in linea di massima valgono le seguenti regole :

• il valore si riduce aumentando la frequenza (tipicamente 33-27 pF a 4Mhz per scendere a 22-15 pF a 20MHz)
   

• un maggior valore della capacità aumenta la stabilità dell' oscillatore, ma, per contro, aumenta anche lo start up time dell'oscillatore stesso
   

• le capacità vanno calibrate caso per caso, a seconda del quarzo usato, assicurandosi un funzionamento stabile dell' oscillatore alla minima tensione di alimentazione prevista e nel range di temperatura in cui si prevede funzionerà l' apparato

Microchip consiglia 22 pF praticamente per tutti i casi:

Un valore medio di 22-27 pF è adeguato alla maggior parte delle situazioni. Una regola generica può essere quella di usare condensatori maggiori se la frequenza di oscillazione è bassa e viceversa.
La cosa migliore è verificare il foglio dati del quarzo scelto: solitamente i costruttori dei cristalli forniscono i valori di capacità da associare al loro prodotto, come pure la necessità di una eventuale resistenza Rs in serie o Rp in parallelo.

NOTA: Microchip evidenzia comunque le seguenti regole generali: Una maggiore capacità incrementa la stabilità dell' oscillatore, ma incrementa anche il tempo di stabilizzazione Alimentando il chip con tensioni al di sotto dei 3 volt o quando si utilizzano risonatori ceramici (a qualsiasi Vdd) può essere necessario sostituire il modo XT con il modo HS Dato che ogni cristallo o risonatore ha parametri tipici, è opportuno consultare le caratteristiche fornite dal costruttore per la scelta dei condensatori più opportuni Rs va inserita nel caso in cui si verifichi un sovra pilotaggio del quarzo Verificare sempre le prestazioni dell' oscillatore per tutto il range di funzionamento del dispositivo, sia in tensione che in temperatura  Se la frequenza generata è di valore molto più elevato di quella del cristallo, molto probabilmente lo si sta pilotando con una energia eccessiva. Scegliere un modo a potenza minore o inserire la resistenza Rs Se la frequenza generata è instabile o ha un valore scorretto, oppure il circuito non oscilla, probabilmente si sta usando un modo a energia troppo bassa. Scegliere un modo XT o HS.

Ovviamente, se serve una elevata stabilità e precisione in funzione sia della temperatura che della tensione di alimentazione, sarà necessaria una maggior cura nel verificare il corretto funzionamento di questa parte del circuito, adottando anche quarzi con una minima deviazione percentuale (ppm).

Ovviamente, scelta la soluzione a quarzo per la richiesta precisione, i condensatori non potranno che essere degli NP0.

Al posto del cristallo, quando invece non sia richiesta particolare precisione, si possono utilizzare i più economici , ma meno precisi, risonatori ceramici, di cui esistono anche versioni a 3 pin che contengono i due dei condensatori e quindi fanno risparmiare spazio e moneta.

Nel caso in cui si utilizzino risonatori, può capitare di dover scegliere il modo HS anche per frequenze sotto i 4MHz, sopratutto se la tensione di alimentazione è inferiore a 5V; questo dipende dalla necessità di immettere maggior energia per far oscillare questi componenti, che a volte sono un po' "duri". In questo senso, Microchip consiglia anche di impiegare il modo HS invece di XT con risonatori sopra i 3.5MHz.

In sostanza, la differenza tra XT e HS è la maggiore energia (corrente) che l' oscillatore HS invia al quarzo, con la possibilità, però, di sovra pilotarlo. Nel caso di quarzi miniaturizzati, genere cilindrico per orologi,  la Rs può essere indispensabile per ridurre la corrente nel cristallo entro i limiti previsti dal costruttore per quel particolare elemento. 

Microchip, con i risonatori, consiglia di utilizzare il modo HS anche per frequenze inferiori a 3.5 MHz, dato che HS funziona con qualsiasi Vdd e fornisce una maggiore energia all' oscillazione.
Nel caso in cui il risonatore risultasse particolarmente sensibile e quindi sovraccaricato, il problema viene corretto con inserendo la RS (valore tipico 330 ohm).

In genere un sovra pilotaggio del cristallo si rivela con l' oscillazione ad una frequenza diversa da quella prevista, normalmente su una armonica superiore : ad esempio un quarzo da 32 kHz sovrapilotato per mancanza della Rs oscillerà, spesso in modo irregolare, a 160 o più kHz.
Le specifiche dei costruttori indicano la corrente prevista nel cristallo, ma, dato che si tratta di un parametro non facile da misurare, la procedura più semplice è quella di inserire la resistenza serie quando il circuito oscilla su un valore molto diverso da quello nominale. 
Va precisato che il sovra pilotaggio e la conseguente deviazione dalla frequenza nominale del cristallo è fatto diverso dalle piccole differenze di frequenza dovute alle tolleranze del quarzo o all' accoppiamento non perfetto con i gate dell' oscillatore: in questo caso la differenza tra la frequenza nominale e quella ottenuta sarà piuttosto piccola e sarà possibile quasi sempre correggerla variando la capacità dei condensatori associati.

In tal senso è sempre possibile collegare un condensatore variabile in parallelo o al posto del condensatore sull' uscita dell' oscillatore (OSC2) per arrivare alla massima precisione, ma va tenuto presente che non ha senso usare trimmer e condensatori qualunque, bensì occorre impiegare elementi ad alta stabilità, paragonabile a quella del quarzo,  per evitare fenomeni di deriva con il variare della temperatura (altrimenti la presenza del quarzo è inutile !!).
D'altronde, se la precisione o la frequenza ottenibili con un cristallo non sono richieste, molti PIC funzionano anche con un oscillatore RC o con l' oscillatore interno (ved. più avanti).

Se i risonatori piezoceramici a tre pin solitamente non danno alcun problema, maggiori difficoltà si possono trovare volendo usare risonatori piezoceramici a due pin, del genere recuperato da drive floppy o vecchi drive CD o del tipo usato per i filtri di media frequenza negli apparecchi radio. Questi elementi possono richiedere un po' di tempo nella ricerca dei valori adeguati di Rs/Rf e C1/C2 oppure possono anche rifiutarsi di funzionare. Con questi risonatori è possibile che sia necessario aumentare il valore dei condensatori, arrivando anche a 220-330 pF.

A riguardo di questi problemi, Microchip propone diverse brochures, richiamate in bibliografia, utili per chi intende approfondire l' argomento.

Ecco l' ingrandimento dell' area oscillatore primario di UniBoard, con tre delle modalità possibili:

INTOSC	Oscillatore ceramico (XT o HS)	HS con cristallo

Va chiarito che chi si trova in difficoltà con l' oscillatore dei PIC è perchè , probabilmente, sta commettendo pesanti errori, ad esempio nella scelta del quarzo, che deve essere specifico per microcontroller, solitamente in case HC-49, e non certamente del genere per radio trasmissioni, che funzionano in terza o quinta armonica, o tanto meno vecchi surplus militari o industriali, che richiedono potenze di eccitazione elevate. 

Altrettanto importante è la scelta della modalità di funzionamento dell' oscillatore : una scelta errata impedisce l' oscillazione. E' possibile anche che uno stesso gruppo quarzo/condensatori oscilli con diverse impostazioni, ad esempio tanto in modo HS che XT: in questi casi è molto probabile che una delle due modalità dia un valore di oscillazione che più si avvicina al valore nominale del quarzo e questo sarà il criterio per la scelta. 
Va tenuto presente che anche il range di temperatura in cui si troverà a lavorare il circuito è determinante, in quanto un conto è un dispositivo che funzioni a temperatura ordinaria del laboratorio, altro è il caso di un dispositivo che debba lavorare all' aperto con variazioni da -10 a + 40 C ; qui occorrerà verificare che l' oscillatore parta e funzioni regolarmente entro tutta la gamma di temperatura.

E' anche opportuno ricordare che i quarzi sono componenti abbastanza delicati e soggetti ad essere danneggiati da operazioni di saldatura e dissaldatura poco curate, andando fuori caratteristiche. 
Inoltre, come già detto, i condensatori devono essere elementi ceramici NP0 di qualità e non recuperi qualsiasi dal surplus, pena la probabile variazione della frequenza con il variare della temperatura. 
Di nuovo, va ricordato che, se l' applicazione non è sensibile alle variazioni del clock, il suo valore non riveste alcuna importanza , allora è più sensato scegliere una modalità con oscillatore interno, che è sufficientemente precisa per gran parte delle applicazioni. Ma se si usa il quarzo come elemento di riferimento del tempo, allora è ovvio che diventa essenziale evitare una possibile deviazione con la temperatura.

Comunque, in molti anni di lavoro sui PIC non è mai capitato che si siano presentati problemi nell' oscillatore se non in dipendenza dall' errata scelta del quarzo o della modalità di funzionamento dell' oscillatore.
Per esperienza, utilizzando cristalli specifici per microcontroller, non ci sono mai stati particolari problemi, nè criticità . 
La Rf da 1 Mohm è facoltativa (anche se averla in circuito non porta conseguenze negative) e non si è resa necessaria l' aggiunta di Rs se non sui quarzi da orlogeria. Anche l' impiego di risonatori a tre pin, che contengono al loro interno i condensatori necessari, ha sempre dato ottimi risultati. 

Possibili criticità si possono incontrare per valori di alimentazione bassi, sotto i 3.3V o per temperature molto basse (molto al di sotto dello zero). Dovendo prevedere l' operare del circuito in queste condizione di funzionamento , è indispensabile la verifica del corretto funzionamento dell' oscillatore scelto : ad esempio, per un dispositivo alimentato a batteria e che deve operare all' aperto o su un veicolo, andrà verificato che esso parta anche con la minima tensione e la minima temperatura prevista, ricordando che le frequenze massime nominali dei PIC sono indicate per la tensione di funzionamento massima, mentre sono soggette ad una riduzione anche sensibile col ridursi della tensione. Più avanti il paragrafo Frequenza massima chiarisce meglio questo aspetto.

Informazioni addizionali - Bibliografia

Per chi voglia saperne di più, Microchip consiglia di consultare la sua documentazione relativa alla progettazione degli oscillatori per i PIC e in particolare le seguenti Application Notes:

• AN588, “PIC® Microcontroller Oscillator Design Guide”
   

• AN826, “Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfPIC® and PIC® Devices”
   

• AN849, “Basic PIC® Oscillator Design”
   

• AN943, “Practical PIC® Oscillator Analysis and Design”
   

• AN949, “Making Your Oscillator Work”