自制32768Hz时钟信号感应器

xjw01 · 发表于 2018-2-18 22:41:33

32768Hz时钟信号感应器
xjw01 莆田第十中学
这两天，做一个小项目，用到了时钟芯片DS1302，发现校准时钟有困难。买个成品校钟仪，觉得太贵了，于是自制一个简易的校准装置，现分享给大家。
校钟仪.PNG

1、原理：
用探针感应32768Hz附近的电场信号，经过两级选频放大，然后接入数字示波器(分辨到0.1Hz)，这样就可以读出频率，方便比对各个钟的频率，只要已知一个钟的实际误差，那么其它钟的误差也就很容易确定。
2、关键设计：
两个LC谐振器：使用Q值高的电感。图中L1，本人使用废弃小节能灯的5mH电感，Q值约为80。谐振电容采用涤纶电容。这里的电感与电容是正温度元件，经测量，从10摄氏度升到温热（约40度），电感温漂1%左右。所以，LC配对时要考虑温漂，如果在冬天制作，谐振频率设计为偏高0.5%比较合适。
L1、C1、C2、C3组成第1个LC谐振器，3个电容串并联组合后，使得谐振频率正好是32768Hz。多买一些3.3nF电容，容易筛选出合适的。
L2、C4组成第2个LC谐振器，谐振频率也是32768Hz。C4采用2个10nF电容串联得到，同样，C4也是筛选得到的。
3、电路放大倍数：400倍左右
4、探针衰减：1/700左右，假定探针的绝缘皮碰到晶振脚时的耦合电容是0.1pF
5、输出噪声：峰值5mV左右，实际与电磁环境有关。信噪比大于2时，可准确读出频率，即输出信号达到10mV才能有效测量频率。测量DS1302时钟时，距离1cm左右就可以感应到10mV信号了。
6、谐振器制作
涤纶电容的测量：
使用数字电桥测量，频率选择为30kHz左右。如果电桥没有30kHz频点测量，也可以用10kHz左右的频点，但测值结果偏大1%，应修正。30kHz频率下，涤纶电容的Q值按80估计就可以了。
电感测量：
5mH高Q铁氧体电感在中低频段电感量随频率变化不大，可以使用10kH频点测量。低于10kHz，Q值与频率成正比。如1kHz测量Q＝3.5，那么10kHz时Q约为35。高于10kHz以后，Q值增加速度变慢，30kHz时，相对10kHz Q值增加不是3倍，而是2.5倍左右，即Q＝35*2.5＝87。
谐振器的总Q值：电感Q值与电容Q值的并联值，即Q总=QL*QC/(QL+QC)=40
L2选用Q值大于50的普通电感即可。
通过数字电桥，把LC参数测好了，装上去就可以了，无需调整参数。再者，误差一点也没关系，谐振点误差1%甚至3%也能正常工作。
7、为什么要使用“共射—共基”电路：
三极管的bc结电容对本电路有影响很大。本电路输入端接收高阻信号，且采用共射电路，这时，bc结电容反馈的信号无法有效旁路，如果仅使用“共射”电路实现放大，电路Q值会下降很多，Q总可降到5。
如果觉得电路复杂，想简单的使用“共射”电路，请把s8050更换为9018这类超高频管，这样理论上仍可保持电路高Q。
注：晶体管的结电容参数可以使用数字电桥测得，但要加一点辅助小电路，这里不介绍了。

xjw01 · 发表于 2018-2-25 13:49:48

上面计算Vm及fs使用近似估算法，所得Vm精度差一点，所以r值计算不够准确。完全计算又过于复杂，所以写成代码计算。把下面代码保存为htm即可
<htm>
<head>
<title>晶振扫频计算器</title>
</head>
<body style="font-face:宋体">
<b>晶振扫频计算器</b><br>

Vd<input type=text size=5 id=Cvd value=1330>mV,单位下同 fe<input type=text size=5 id=Cfe value=0.6 >Hz 频率计误差修正量<br>
V1<input type=text size=5 id=Cv1 value=150 > fs-1时电压<br>
V2<input type=text size=5 id=Cv2 value=202 > fs+0时电压 fs<input type=text size=5 id=Cfs value=32762 >Hz<br>
V3<input type=text size=5 id=Cv3 value=90  > fs+1时电压<br>
Vp<input type=text size=5 id=Cvp value=2.8 > fp+0时电压 fp<input type=text size=5 id=Cfp value=32801 >Hz<br>
<input type=button value="确定" onclick="calc()"><br>

<br>
<div id=Cout>
</div>

<script type="text/javascript">
function calc(){
var v1 = document.getElementById("Cv1").value-0;
var v2 = document.getElementById("Cv2").value-0;
var v3 = document.getElementById("Cv3").value-0;
var vd = document.getElementById("Cvd").value-0;
var vp = document.getElementById("Cvp").value-0;
var fs = document.getElementById("Cfs").value-0;
var fp = document.getElementById("Cfp").value-0;
var fe = document.getElementById("Cfe").value-0;

var y1=1/v1/v1, y2=1/v2/v2, y3=1/v3/v3;
var a=y2-y1, b=y3-y2, c=b-a;
var xm = -(a+b)/(2*c);
var ym = y2-(a+b)*(a+b)/(8*c);
var Co,CL,bz,r,A,Q;
A = Math.sqrt(1/ym);
r = 10*(vd-A)/A;
fs += xm+fe;
Q = Math.sqrt(c/8)*A*fs;
bz = fs/(fp-fs)/2; //Co/Cs的值
Co = 5000/(10*vd/vp);
CL = Co*(fp-fs)/(32768-fs);

document.getElementById("Cout").innerHTML =  '结果<br>'
  +'xm='+xm.toFixed(2)+'Hz 峰值点频偏<br>'
  +'fs='+fs.toFixed(2)+'Hz (改正后的fs,加上xm+fe)<br>'
  +'fp='+fp.toFixed(0)+'Hz<br>'
  +'A=' +A.toFixed(0)+'mV<br>'
  +'r=' +r.toFixed(0)+'千欧<br>'
  +'Co='+Co.toFixed(2)+'pF<br>'
  +'CL='+CL.toFixed(2)+'pF 含Co<br>'
  +'Co/Cs='+bz.toFixed(0)+'<br>'
  +'3dbQ='+Q.toFixed(0)+'<br>';
}

</script>
</body>
</html>

washu · 发表于 2018-2-23 23:03:09

xjw01 发表于 2018-2-23 22:22
总结：
时钟不准，主要两个原因：
1、负载电容不匹配。

为什么用 1302？特别是自己的私人项目，成本并非非常重要的情况下，为毛不用 8025 之类内置晶振的时钟芯片，不仅不需要考虑负载电容匹配问题，还有专门的 32768 输出专用脚可以直接用频率计测量误差，误差还能写入芯片寄存器予以纠正。

xjw01 · 发表于 2018-2-18 22:48:58

aoliwom · 发表于 2018-2-18 22:57:50

有创意，以前没想到过。

liangkan · 发表于 2018-2-18 23:12:11

个人水平有限，看不明白，许老师出品，帮顶。

feiyu123 · 发表于 2018-2-23 15:04:10

不错，有创意，

xjw01 · 发表于 2018-2-23 22:02:12

本帖最后由 xjw01 于 2018-2-23 22:30 编辑

做了一些改进，加两级放大，实现3倍频，其中倒数第二级工作于丙类放大状态。3倍频后的好处是：提高一些的频率测量精度，这时，0.1Hz对应误差0.1s左右。
电路中使用了6个晶振体管（6管机），跟做收音机差不多。

校钟仪.PNG

xjw01 · 发表于 2018-2-23 22:07:19

本帖最后由 xjw01 于 2018-2-23 22:26 编辑

扫频法测量32768晶振参数
XJW01 莆田第十中学
一、晶振等效电路：
晶振等效为电感Ls与电容Cs串联，再与Co并联。
Co为晶振两个管脚之间的寄生电容，32768晶振一般为0.8pF至2pF不等。
Cs非常小，Co/Cs可达400以上。
Co较小，用数字电桥测量时需要使用测试座进行测量，也可将测试夹夹在排针上，然后用摄子夹住晶振外壳，再将晶振的两个管脚压在排针上测得。

从晶振两端看进去，存在两个谐振频率。Ls与Cs串联谐振，频率为fs；LsCs与Co并联谐振，频率为fp；通过扫频，可以找到这两个频率。
扫频电路：晶振串联10千欧电阻，然后接入DDS，用示波器测量10k电阻上的信号。图中，DDS信号峰峰值是Vd=1.33V＝1330mV
二、测量与计算(2*6mm，5ppm)：
1、找fs，以1Hz间隔扫频找到信号最大值，此时Ls、Cs谐振，测得频率与峰峰电压如下：
f1=32761Hz，V1＝150mV
f2=32762Hz，V2＝202mV
f3=32763Hz，V3＝90mV
阻抗最底点频率fs及Vm计算：
a＝V2-V1=52mV
b＝V2-V3=112mV
如果b>a，则d=(a-b)/b/2，d=-0.27Hz
如果a>b，则d=(a-b)/a/2，d=无
fs=f2+d=32761.73Hz
Bo=2*d*V2/(V1+V2)=0.27*1.68=0.45
Vm=V2*sqrt(  (1-d*d)/(1-Bo*Bo)  )=218mV
损耗电阻r=10*(Vp-Vm)/Vm=51千欧
2、找fp，按1Hz间隔扫频找到信号最小值，此时Ls、Cs、Co谐振，频率fp=32801Hz
频率偏移量与CL成反比：f-fs=fs*(Cs/CL/2)
当CL降到Co时得： Co/Cs=fs/(fp-fs)/2=417
3、测量Co，频率置为32000Hz，测得有效值是Vp=2.8mV（从示波器波形上读出，不要直读示波器自动测量出来的显示值，因为显示值含有噪声电压）
Co=5000/(10*Vd/Vp)=5000/(10*1330/2.8)=1.05pF
测得的Co是晶体两个管脚之间的寄生电容及电路中连线的寄生电容两者之和。如果用电桥测量，少了后者，只测到Co=0.9pF
4、负载电容CL计算：
CL与频偏成反比，所以CL/Co=(fp-fs)/(f-fs)，当f=32768时，所需的负载电容CL就是我们所需要的，即得CL＝Co*(fp-fs)/(32768-fs)
因DDS频率误差0.6Hz，所以fs修正后是32762.3Hz，计算得：
CL=1.05*(32801-32762.3)/(32768-32762.3)=7.1pF
  这里的CL包含Co，所以实际需要在晶振两端并联7.1-1.05=6.1pF电容
  晶振手册中的CL是不含Co的。
5、等效外接串联损耗电阻ESR
  ESR=r*(CL/(CL-Co))^2，约等于r
三、测量与计算(3*8mm，电脑主板上拆的)：
1、找fs，以1Hz间隔扫频找到信号最大值，此时Ls、Cs谐振，测得频率与峰峰电压如下：
f1=32763Hz，V1＝240mV
f2=32764Hz，V2＝350mV
f3=32765Hz，V3＝123mV
阻抗最底点频率fs及Vm计算：
a＝V2-V1=110mV
b＝V2-V3=227mV
如果b>a，则d=(a-b)/b/2，d=-0.26Hz
如果a>b，则d=(a-b)/a/2，d=无
fs=f2+d=32763.74Hz
Bo=2*d*V2/(V1+V2)=0.50
Vm=V2*sqrt(  (1-d*d)/(1-Bo*Bo)  )=390mV
损耗电阻r=10*(Vp-Vm)/Vm=24千欧
2、找fp，按1Hz间隔扫频找到信号最小值，此时Ls、Cs、Co谐振，频率fp=32801Hz
频率偏移量与CL成反比：f-fs=fs*(Cs/CL/2)
当CL降到Co时得： Co/Cs=fs/(fp-fs)/2=525
3、测量Co，频率置为32000Hz，测得有效值是Vp=5.4mV（从示波器波形上读出，不要直读示波器自动测量出来的显示值，因为显示值含有噪声电压）
Co=5000/(10*Vd/Vp)=5000/(10*1330/5.4)=2.03pF
4、负载电容CL计算：
CL与频偏成反比，所以CL/Co=(fp-fs)/(f-fs)，当f=32768时，所需的负载电容CL就是我们所需要的，即得CL＝Co*(fp-fs)/(32768-fs)
因DDS频率误差0.6Hz，所以fs修正后是32764.3Hz，计算得：
CL=2.03*(32795-32764.3)/(32768-32764.3)=16.8pF
  这里的CL包含Co，所以实际需要在晶振两端并联16.8-2.03=14.8pF电容
因此这个晶振，两端得对地接入近14.8*2=29.6pF电容（含PBC引线电容等），谐振频率才是32768Hz
如果接入6.1pF的，那么CL=6.1+2.03=8.1pF，f-32768=fs+(fp-fs)/(CL/Co)-32768=4.2Hz
5、等效外接串联损耗电阻ESR
  ESR=r*(CL/(CL-Co))^2，约等于r
四、测量计算（淘宝买的1.6元的DS1302模块上的晶振3*8mm）
f1=32762Hz,V1=160mV
f2=32763Hz,V2=510mV=Vm
f3=32764Hz,V3=160mV
fs=32763.6Hz(加0.6Hz误差)
fp=32799Hz
ESR=10*(Vp-Vm)/Vm=16千欧
Co=5000/(10*1330/4.4)=1.63pF
CL=1.63*(32799-32763.6)/(32768-32763.6)=13.1pF(含Co)
此晶振接在DS1302中，时钟就会跑快。因为，DS1302电容是6pF,加上本晶振1.63pF，还不够13.1-(6+1.63)=大约还不够5.5pF。可以在晶振两端并联一个5pF电容解决问题。不过，这时ESR发生了变化：电路相当于Co增加了5pF，变成6.6pF，ESR=16*(13.1/(13.1-6.6))^2=65千欧。并联电容还会使谐波增加。

xjw01 · 发表于 2018-2-23 22:22:22

总结：
时钟不准，主要两个原因：
1、负载电容不匹配。
淘上卖的DS1302小模块，一个1元多，产品说明写着5ppm晶振6pF，买了3个。用这个电路测量，快了10秒。拆下晶振扫频测量，发现负载电容是12.5pF的。并联一个5pF，误差降到每晶0.1秒，气温15度。
最近，我自己的一个小项目，用到了时钟，在淘宝上买了0.45元/个的KSD晶振，标称12.5pF的，设计电路时发现，DS1302要求6pF的。没办法，只得先用用再说。不过，用这个电路测量了一下，居然很准。拆下来扫频测量，发现这个晶振是6pF的，卖家标称12.5pF，给我6pF的，正好使用。
2、把晶振放在变压器旁，太热了。我家的小台钟就这样。

总之，时钟不准了，多半是卖家标错了参数，或厂家没有考虑温度问题，或者晶振型号错了。反正，不准确的钟很多。

xjw01 · 发表于 2018-2-23 22:35:43

xjw01 · 发表于 2018-2-24 10:32:45

washu 发表于 2018-2-23 23:03
为什么用 1302？特别是自己的私人项目，成本并非非常重要的情况下，为毛不用 8025 之类内置晶振的时钟芯 ...

用 DS1302+5ppm晶振可以做到误差小于1秒/天，一般应用足够的。

顺便说一下，上次淘宝上买DS1302，未必是买贵的好。我买了2元的DS1302，还不如几毛钱的，接5V电源后，频率变大0.16Hz，温漂也不见得优秀。所以说，钟是否准确，还是要实测一下比较放心。

此外，3倍频后，测量可以降低对示波器的要求，否则，分辨到0.1Hz，精度有点不够。

washu · 发表于 2018-2-24 16:35:49

本帖最后由 washu 于 2018-2-24 16:40 编辑

xjw01 发表于 2018-2-24 10:32
用 DS1302+5ppm晶振可以做到误差小于1秒/天，一般应用足够的。

顺便说一下，上次淘宝上买DS1302，未必是买贵的好。我买了2元的DS1302，还不如几毛钱的，接5V电源后，频率变大0.16Hz，温漂也不见得优秀。所以说，钟是否准确，还是要实测一下比较放心。
...

DS1302 正品价格不低，官价 1.5 刀以上，目录商要二十来软妹，8025 真没贵上多少。

当然，假货宝也一样，我买的 8025 也不到 1 块钱

你的几毛钱的 1302 还得再买个几毛钱还不知道靠不靠谱的晶振吧

光是买（还得是适合 1302 的） 5ppm 晶振就够业余爱好者喝上好几壶的，你 7 楼不就是一壶么

你楼主位是另一壶，你自己都说假货宝上的晶振负载电容都乱标了。RX8025 并非精度更高，其实也就是 5ppm 而已，只是晶振和负载电容都是内置的，无需任何外围器件，简单好用而已；特别是如果有条件测量的话，8025 可以从 FOut 直接测量，1302 就需要你的那个另一壶了

btw. 示波器时基精度一般来说不高吧，我看了下我那台屁眼示波器，才 25ppm

xjw01 · 发表于 2018-2-24 18:50:06

本帖最后由 xjw01 于 2018-2-24 18:52 编辑

washu 发表于 2018-2-24 16:35
DS1302 正品价格不低，官价 1.5 刀以上，目录商要二十来软妹，8025 真没贵上多少。

当然，假货宝也 ...

没说8025不好啊。
而DS1302就看你怎么用了。
晶振使用也有很多细节的，值得研究。
如果你认为，我只是想做一个准确一点的钟，那很容易啊，做完后，放在那里比对几天自然就知结果的。我的钟，未经任何调试，5天时间，累计误差小于1秒，两个元件焊上去就完事了，事情就是这么简单。DS1302，我买了几十个，晶振型号，也买了不知多少，不少于400个，你认为我是为了省那几毛钱吗？只是想研究一下能买到的32768晶振的情况。
为什么整了这么一圈，研究一下这些晶振的特性。看那32768Hz晶振的那些参数，如果不亲手调一次，难有准确感知的。网络上讲的那些，半真半假的，不骗你。不过，有几篇文章讲得很真。

另外说一下，示波器对钟是可以的，可以读出6位，手上也有频率计，但没有示波器好用。至于绝对精度，我是用铷振比对的，足够精确的。手上还有2个恒温晶振，顺便用铷振比对，发现有一个误差2个字，所以我另外标了频率在上面。

xjw01 · 发表于 2018-2-24 19:13:53

washu 发表于 2018-2-24 16:35
DS1302 正品价格不低，官价 1.5 刀以上，目录商要二十来软妹，8025 真没贵上多少。

当然，假货宝也 ...

要说工程项目上的事，我不喜欢自己开发。我也喜欢使用现成的产品，省事多了。自己设计，太耗时，而且元件采购成本很高。
我上面说的小项目，就是冲侧所用的定时器。本来是叫电工去做，建议用PLC来做就可以了。不过，电工不肯做，他说不熟悉PLC。事情就这样拖了1年。校长多次叫我去设计一个方案来解决问题。实在不好拒绝，所以利用寒假来做一个定时器。
当时没认真计算成本，随口说1.2万元，没想到这事就赖我身上了。实际做的时候，元件费花了3500元，设计制作电路花了15天以上，相当于7000元，日后组织施工，还要2500元成本，税费还要1000元，已超1200元预算。所以说，自己设计，工资都挣不到。即然做了，就认真研究一下元件特性，也对得起这次设计，要是钱没挣到，东西也没学到，那就亏大了。

washu · 发表于 2018-2-24 20:50:22

xjw01 发表于 2018-2-24 18:50
没说8025不好啊。
而DS1302就看你怎么用了。
晶振使用也有很多细节的，值得研究。

如果是研究另当别论，我当年也掉进 1302 和晶振的大坑

搞得我后来烧频率计，烧铷振，烧 GPSDO

要是当年一开始就有人给我推荐 8025，也许就没那么多事了

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