16F628 : HORLOGE EN MODE LP
 


Le mode Low Power ou basse consommation pour l'horloge des PICs est souvent mal utilisé.
On trouve encore une fois beaucoup de théorie sur le quartz mais peu de mise en pratique.
Microchip propose une note d'application.
Une partie de cette documentation est mise en oeuvre sur cette page.

 
Le quartz :




Le quartz typique d’horloger est en forme de diapason (découpe en forme de U). Son épaisseur est faible (environ 0,1 mm) et il est métallisé sur une seule face. Cette découpe particulière est de type NT.

On peut identifier cette taille sur la photo ci-contre, le boîtier dans lequel le quartz est logé est obsolète. Il a l'avantage de présenter une feuille de mica sur la face supérieure, ce qui a permis la prise de vue.


Le cristal, de très faibles dimensions, est intégré dans un boîtier de référence NC38. C’est un cylindre de 3 mm de diamètre et de 8 mm de long. Cette technologie permet d’obtenir des fréquences de résonance comprises entre 10kHz et 200kz, la fréquence la plus populaire étant de 32,768 kHz. Cette fréquence permet de réaliser des applications en temps réel et de très faible consommation.

La dérive en température :

Les microcontrôleurs de Microchip peuvent fonctionner avec plusieurs modes d’oscillateur. L’option LP est réservée à ce type de quartz. La courbe de réponse en fonction de la température est parabolique, son sommet se situant à 25° C (Document Microchip).

Pour déterminer le changement de fréquence occasionné par une variation de température il faut :
. calculer la différence entre la température réelle et 25 °C
. retenir sa valeur absolue,
. extraire la racine carrée,
. multiplier ce dernier résultat par 0,04

La dérive est de 0,04 ppm / °C²


La mise en oeuvre :


Le schéma est tiré de la documentation du 16F628. Il est commun à toute une famille de PICs.

L'oscillateur est architecturé autour d'un inverseur non bufferisé, les versions bufferisées ayant plusieurs inconvénients, dont le principal est une difficulté de démarrage des oscillations.

De nombreuses pages développent la théorie de fonctionnement de ce type d'oscillateur. Ce n'est pas l'objet de cette étude.



Le composant RF est déjà intégré au circuit intégré. C'est une résistance qui permet de faire travailler l'opérateur loqigue dans sa région linéaire (VDD/2). Son ordre de grandeur se situe entre 10 Mohms et 22 Mohms. Il n'est donc pas nécessaire de la rajouter.
Lors de la mise sous-tension, la structure composée de l'inverseur et de RF à tendance à se polariser à VDD/2. Un bruit aléatoire suffit à rompre la stabilité de la structure qui fonctionne alors comme un oscillateur.

Le composant RS augmente l'impédance de sortie de l'inverseur et limite l'énergie communiquée au quartz. Si la valeur de RS est trop importante, le quartz risque d'osciller en overtone. Si la résistance est trop faible les oscillations peuvent cesser, le phénomène allant jusqu'à la destruction du quartz.
La grandeur de la résistance série préconisée par Microchip pour ce type d’oscillateur est de l’ordre de 30k, note d'application AN588 ( Autres sources : 100 ou 300 kohms ).
Il est difficile de déterminer une valeur cohérente de RS. Il faudrait en théorie que l'impédance du condensateur C2 ( schéma ci-dessus ) soit égale à celle de RS à la fréquence de résonance.
RS = 1 / ( 2 x PI x F x C2 ) = 1 / ( 2 x 3,14 x 32768 x 22pF ) = 220 k
Cette valeur est plus en accord qu'avec celle préconisée par la note d'application AN588.

L’erreur
pour ce type de quartz est inférieure à 20 ppm. Elle induit une dérive de 1,7 seconde par jour ( sans compter les autres sources d'erreur ). Elle est suffisante pour la majorité des applications. L’ajustement de la fréquence de résonance est réalisable, mais elle n’est pas facile. Il existe plusieurs moyens technologiques qui permettent d'approcher la fréquence idéale de 32,768 kHz. La solution retenue dans ce cas est de faire varier la grandeur de l'un des deux condensateurs.

Pour un quartz de 32,768 kHz, Microchip préconise une valeur des condensateurs pouvant varier entre 15 pF et 30 pF.
J'ai retenu une valeur de 22 pF pour C1.
Le condensateur C2 est composé d'un condensateur de 12 pF en parallèle avec un ajustable de 2 / 22 pF.
Ci-contre, une photo du condensateur variable ( couleur verte généralement pour cette gamme de valeurs ).
La valeur de la résistance RS pour cette expérience est de 27 k.
Mesurage :

La mesure de la période ( ou de la fréquence ) ne peut pas être réalisée sur les broches OSC1 ou OSC2. La sonde utilisée introduit une impédance parasite qui modifie la fréquence de résonance de la structure. Une solution consiste à utiliser une broche du PIC en sortie qui commutera en fonction d'un programme de test.
La fréquence de l'oscillateur est de 32,768 kHz. Le PIC est cadencé avec une fréquence de 32,768 / 4 = 8,192 kHz
Le programme test réalise une division de cette fréquence par 8. Elle est donc de 8 192 / 8 = 1,024 kHz
La période du signal est de 1 / 1024 = 976,5625 µs
Le signal est disponible sur la broche 1 du PORTB.
- Le programme test en assembleur pour un PIC 16F628
- L'exécutable nécessaire pour programmer le PIC 16F628

Ci-contre la mesure de la période après avoir ajusté C2B avec RS = 27 k
Pour la valeur minimale de C2B, on obtient une période de 976,526 µs.
Pour la valeur maximale de C2B, on obtient une période de 976, 578 µs.
La fréquence de résonance peut évoluer de 32,7692 kHz à 32,7675 kHz.

La mesure de la période après avoir ajusté C2B avec RS = 220 k
Pour la valeur minimale de C2B, on obtient une période de 976,526 µs.
Pour la valeur maximale de C2B, on obtient une période de 976, 586 µs.
La fréquence de résonance peut évoluer de 32,7692 kHz à 32,7672 kHz.

Si on ne possède pas de fréquencemètre, on peut réaliser l'ajustement sur une journée. Si l'horloge est trop rapide, il faut augmenter la valeur de C2B.
Si l'horloge est trop lente, il faut diminuer la valeur de C2B. On a une idée de la valeur du condensateur ajustable en visualisant le chevauchement des lamelles. Plus le chevauchement est important, plus la valeur est élevée. Le réglage initial est effectué avec un chevauchement de 50%. L'étalonnage sans appareil de mesure, peut durer plusieurs jours en réalisant des ajusrements successifs.

Les oscillogrammes relevés avec RS = 220 k
Calibre de la base de temps : 10 µs / division

Voie 1 : broche OSC2
Calibre de l'amplitude : 2V / division
On peut remarquer que l'on obtient un signal qui évolue entre 0V et 5V et dont l'allure s'approche d'une sinusoïde. La porte fonctionne dans sa zone linéaire.

Voie 2 : point commun entre RS et C2.
Calibre de l'amplitude : 1V / division
C'est le signal appliqué au quartz. L'amplitude du signal est fortement diminuée. L'énergie communiquée au quartz est faible.

Remarques :
L'impédance de la sonde n'est pas négligeable lors de ces mesures. Elle engendre donc des perturbations. La fréquence de résonnance est modifiée, la composante continue relevée sur la voie 2 est fausse (diminuée).
Une tentative de mesure sur la broche OSC1 entraîne l'arrêt des oscillations.

Les caractéristiques du quartz :

Conclusion :

L'utilisation de ce quartz est uniquement justifiée par la très faible consommation du PIC.
L'inconvénient est que sa tolérance sur la fréquence de résonnance est de 20 ppm.
On peut diminuer ce manque de précision par l'utilisation d'un condensateur variable.
Si la consommation de la structure n'est pas un impératif, il est plus judicieux de choisir un quartz de 3,2768 MHz ( meilleure précision ).
L'utilisation de la résistance série est impérative. Plus l'énergie absorbée par le quartz est faible, plus sa durée de vie est importante.

Dernière version de la page : 24 / 05 / 2007