27. Cristales | Componentes Electrónicos para Programadores

01 · Punto de partida

Sin reloj no hay programa que avance

Cada micro ejecuta a golpes de un oscilador: si el golpe es impreciso, el UART balbucea, el USB se cae y el reloj atrasa minutos por día. La precisión se compra con el componente justo: cristal (exacto), resonador (barato) o RC interno (gratis y vago).

En este curso no diseñás osciladores: aprendés a elegirlos y conectarlos según la hoja del micro (curso 7).

¿Qué diferencia cristal de resonador?
¿Qué significa “20 ppm”?
¿Para qué alcanzan RC interno y resonador?
¿Qué capacitores lleva el cristal?

02 · Tipos

Tres relojes, tres precios

Exactitud y uso de cada uno.
Tipo	Exactitud	Deriva por día	Uso
Cristal cuarzo	10–100 ppm	1–9 s	UART, USB, RTC serio
Resonador cerámico	~0,5 % (5000 ppm)	~7 min	Micros generales baratos
RC interno	1–2 %	15–30 min	LED, botones, juguetes

UART a 115200 tolera ~2–3 %: cristal sobra, resonador va justo, RC interno depende del micro (algunos calibrados sirven, otros no).

03 · Conexión

Cristal + 2 capacitores, pegados al micro

1
Cristal entre pines XTAL.
Sin polaridad. Lo más corto posible al micro: pistas largas captan ruido y falsean.
2
Un capacitor de cada pata a GND.
Típico 2× 18–22 pF (lo que pida la hoja: CL = (C1×C2)/(C1+C2) + parásitos ≈ CL del cristal).
3
Resonador de 3 patas.
Trae los capacitores adentro: central a GND, extremos a XTAL. Más simple, menos exacto.

XTAL1 — cristal — XTAL2+2× C a GND=reloj

04 · Verificación

Sin osciloscopio, por síntomas

Micro muerto total: Fusibles/oscilador mal configurado o cristal que no arranca (caps mal, pista larga, cristal dañado). Revisar configuración antes que soldadura.
UART con basura: Baudios desviados: reloj impreciso o mal elegido (RC donde pedía cristal). Probar cristal conocido.
Multímetro en pines XTAL: Lee ~Vcc/2 fluctuante si oscila (orientativo, no medición). 0 V o Vcc fijos = no oscila.
No tocar con dedos: La capacidad del cuerpo puede pararlo o desviarlo momentáneamente: medir sin apoyar.

05 · Deriva en código

ppm a segundos por día

Convertir exactitud en deriva real y comparar opciones:

Python en tu navegador. Compará relojes y ejecutá el veredicto UART.

def deriva(ppm, nombre="reloj"):
    seg_dia = ppm / 1e6 * 86400
    print(f"{nombre} {ppm}ppm -> {seg_dia:.1f} s/día")
    return seg_dia


for nombre, ppm in [("cristal", 20), ("cristal barato", 100),
                    ("resonador", 5000), ("RC interno", 15000)]:
    deriva(ppm, nombre)

¿Cuántos ppm admite tu reloj despertador con 1 min/mes de error? (1 min/mes ≈ 23 ppm.)

Capacitores de carga

Verificar que tus caps dan el CL del cristal:

def c_carga(c1_pF, c2_pF, parasitos_pF=5):
    cl = (c1_pF * c2_pF) / (c1_pF + c2_pF) + parasitos_pF
    print(f"C1={c1_pF} C2={c2_pF} + {parasitos_pF}pF -> CL={cl:.1f} pF")
    return cl


c_carga(22, 22)  # cristal CL=16pF: ¿sirve?
c_carga(18, 18)

06 · Analogía programador

NTP por hardware

1
Cristal = NTP.
Referencia confiable contra la que todo se mide. Sin ella, cada nodo deriva por su cuenta.
2
ppm = drift.
Partes por millón como segundos por día: el SLA del tiempo. 20 ppm = 1,7 s/día.
3
Caps = tuning.
Valores que ajustan la frecuencia al punto justo: configuración, no decoración.

07 · Exploración

Laboratorio: ¿qué reloj pide tu proyecto?

Elegí el uso: el laboratorio recomienda reloj, justifica con deriva y marca la trampa de elegir mal.

SELECTOR 27

Uso → reloj

precisión → pieza

Proyecto:

RelojCristal 20–100 ppm

Deriva2–9 s/día

ConexiónXTAL + 2× caps hoja

Si elegís malBasura en terminal

UART: cristal, 2–9 s/día de deriva.

Preguntas para explorar

¿Por qué USB exige más que UART?
¿Qué reloj pondrías en 1000 juguetes baratos?
¿Cómo verificás sin osciloscopio que el cristal oscila?

Ver respuestas sugeridas

USB tolera ~0,25 % (2500 ppm) pero con jitter exigente: cristal dedicado o micro con USB calibrado. UART aguanta 2–3 %.
RC interno o resonador: 7–30 min/día no importan en un juguete. Cristal sería derroche.
Síntomas + multímetro (~Vcc/2 fluctuante) + probar firmware mínimo (blink): si parpadea, hay reloj.

08 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«Más MHz siempre mejor»

Más MHz = más consumo y más exigencia de layout, no más “potencia” automática. Se elige lo que el micro y el proyecto piden (hoja).

«Los capacitores son opcionales»

Sin ellos muchos cristales no arrancan o van desviados. Son parte del oscilador, no decoración: los que indica la hoja.

«Resonador y cristal dan igual»

Factor ~50–500 en exactitud (20 ppm vs 0,5 %). Para UART flexible da igual; para USB o relojes, no.

«Cualquier cristal de MHz parecidos»

UART necesita el valor exacto (o divisor válido): 16 MHz ≠ 12 MHz para los baudios. El valor lo fija el micro/proyecto.

09 · Práctica guiada

Ejercicios de tiempo

Ejercicio 1: deriva comparada

Con deriva(): 20, 100, 5000 y 15000 ppm a s/día. ¿Cuál sirve para despertador 1 min/mes?

Ver solución razonada

1,7 / 8,6 s / 7,2 min / 21,6 min por día. 1 min/mes ≈ 2 s/día ≈ 23 ppm: solo el cristal de 20 ppm. El resto atrasa el despertador.

Ejercicio 2: caps de carga

Cristal CL 16 pF, parásitos 5 pF. ¿C1 = C2? Verificá con c_carga() 22 y 18 pF.

Ver solución

Necesitás (C/2) + 5 = 16 → C = 22 pF (da 16,0 ✓). Con 18: 14,0 pF (desviado: frecuencia corrida).

Ejercicio 3: elegir tres proyectos

Blink con botón, UART 9600 y USB: asigná reloj a cada uno y justificá con deriva/tolerancia.

Ver solución

Blink: RC interno. UART 9600 (tol ~2 %): cristal o RC calibrado según micro. USB: cristal (o micro con USB de precisión).

10 · Síntesis

Ideas para recordar

Cristal ppm (comunicación), resonador 0,5 % (barato), RC 1–2 % (juguetes).
ppm a s/día: ×0,0864. 23 ppm ≈ 2 s/día ≈ 1 min/mes.
Cristal + 2 caps de hoja, pegados al micro; resonador con central a GND.
Sin osciloscopio: síntomas + Vcc/2 + firmware blink.
El valor lo fija el proyecto (baudios/USB), no el gusto.

Tiempo exacto dominado. Ahora, lo más tocado con las manos: en el próximo tema, interruptores y pulsadores a fondo.