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Digitale Quarz-Oszillatoren
copyright 2004: Claude Jacobs
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Quarzoszillatoren mit logischen Invertern

Während RC-Generatoren im Digitalbereich vergleichsweise unproblematisch arbeiten, weisen Quarzoszillatoren mit logischen Gliedern oft ein eigenartiges Schwingverhalten auf. Es ist durchaus nicht selten, daß manche Quarzschaltung nicht jedesmal sicher anschwingt, gar während dem Betrieb aussetzt oder nach Belieben auf Ober- oder Grundfrequenz wechselt. Meist sind es unzureichend bekannte, und je nach Typ, stark voneinander abweichende Kenndaten der verwendeten logischen Baugruppen, die einer optimalen Dimensionierung im Wege stehen. Auch die interne Lage der benutzten Gatter und die Art der Verwendung der restlichen im gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Elemente können dabei eine wesentliche Rolle spielen. Sogar bei manch professionellen Geräten entscheidet erst eine hinreichend steile Einschaltflanke der Betriebsspannung, ob der Oszillator überhaupt anschwingt. Kommt es auf sicheres Schwingverhalten an, dann werden auch für digitale Anwendungen die Quarzoszillatoren meist mit diskreten Elementen aufgebaut (siehe unten). Da ein Quarz ein mechanischer Resonator ist (etwa mit einer Stimmgabel vergleichbar), benötigen Quarzoszillatoren bis zur vollen Aussteuerung des Kristalls eine beachtliche Einschwingzeit. Deswegen sollten die Schwingungen auch keinesfalls unterbrochen werden.

Abb.1 zeigt das Ersatzschaltbild eines Quarzes. Der eigentliche Quarz entspricht dabei der R-C-L-Reihenschaltung. Die -meist aufgedampften- Elektrodenflächen bilden die unvermeidliche Zusatzkapazität Cq, beide Elektroden mit dem Metallgehäuse stellen Ca und Cb dar. Zusammen mit den äußeren Kondensatoren ergeben sie die statische Lastkapazität Co und sind mitverantwortlich für Grundfrequenz, Obertöne und (meist unerwünschte) Nebenresonanzen. Jeweils zwischen serieller (fser) und paralleler (fpar) Resonanz ist der Blindwiderstand induktiv, außerhalb dieses Bereiches kapazitiv (siehe Abb.2). In der Praxis jedoch schwingt der Quarz in der Nähe der Serienresonanz (kleinster Widerstand), kann aber durch die umliegenden passiven Bauteile etwas hin zur parallelresonanten Frequenz (Antiresonanz) "gezogen" werden. In der Nähe der Parallelresonanz arbeitet er jedoch unzuverlässig.

Für Digitaloszillatoren wird meist die Pierce-Schaltung bevorzugt (vergleiche hierzu den diskreten Aufbau in Abb.14). Geläufige Pierce-Oszillatoren mit CMOS- (4049, 4093, 40106 etc.) oder TTL-Bausteinen (7400, 7402, 7404, 7410 etc.) zeigen Abb.3 bis 6. Zu der 180-Grad-Phasendrehung des Inverters soll das Netzwerk bei Resonanz eine zusätzliche 180-Grad-Drehung herbeiführen, die an den Eingang zurückgelangt.

Die direkte Rückkopplung über Rbias (bei CMOS etwa 500k bis mehrere MegaOhm) dient zur Erzeugung einer Hilfsvorspannung am Inverter-Eingang, zählt also nicht zu den frequenzbestimmenden Elementen. Dadurch verlagert sich der Arbeitspunkt des Inverters in dessen Verstärkerbereich, und das nach dem Einschalten vorhandene Rauschen verleitet den Oszillator eher zum Anschwingen. Die deutlich niedrigeren Eingangsimpedanzen der TTL-Gatter (Abb.4) benötigen eine stabilere Vorspannung, und um das über den Quarz zurückgeführte schwache Signal nicht zu sehr von dem nunmehr kleineren Widerstand mit den recht hohen Ausgangsschwankungen zu beeinträchtigen, wird ein Tiefpaß vorgeschaltet. Der Kondensator glättet dabei die Rechtecksignale des Ausgangs und erzeugt so eine mehr oder weniger konstante Vorspannung (etwa halbe Betriebsspannung).

R1 begrenzt einerseits die ausgangsseitige Belastung des Inverters, andererseits bildet er mit dem Blindwiderstand von C1 einen Spannungsteiler, der den Ausgangspegel senkt und so eine Übersteuerung des Kristalls verhindert. Typische Maximalwerte, mit denen Quarze ohne Einbußen betrieben werden können, liegen etwa um die 1mW. Üblicherweise wählt man für R1 ungefähr den Blindwiderstand von C1. Außerdem bilden beide einen Tiefpaß, der höhere Frequenzen unterdrückt und dadurch verhindert, daß der Quarz auf einem Oberton einschwingt. In Abb.5 besteht der Spannungsteiler aus zwei Kondensatoren. Allerdings weist dieser dann keine Tiefpaß-Wirkung auf, so daß Obertöne ebenso stark rückgekoppelt werden können, wie die Grundfrequenz. In Abb.6 bildet die Induktivität L zusammen mit C1 einen Bandpaß, der den Quarz auf seine Sollfrequenz "zwingt" (C3 dient hier auch vor allem der Entkopplung des Gleichspannungsanteils).

In den folgenden Schaltungen arbeitet der Quarz in Serienresonanz. Da er keine zusätzliche Phasendrehung herbeiführt, werden zwei Inverter benötigt. Die extrem hohen Eingangsimpedanzen der CMOS-Gatter sind meist ungeeignet für eine genügend starke Aussteuerung des Kristalls, daher setzt man vorzugsweise TTL-Gatter ein.

Auch hier erzeugen die Rückkoppelwiderstände Vorspannungen, die den Arbeitspunkt der Inverter in ihren lineraren Verstärkerbereich verschieben. In Abb.8 trennt ein Koppelkondensator den Gleichspannungsanteil zwischen beiden Stufen. Mit einem dem Quarz seriell hinzugefügten Drehkondensator (Abb.9) läßt sich die Frequenz innerhalb eines schmalen Bereiches "ziehen". Für Oberwellenquarze eignet sich die Schaltung nach Abb.10: zwischen beiden Inverterstufen liegt ein L-C-Serienschwingkreis, der den Oszillator auf die Sollfrequenz "zwingt", indem er alle anderen Frequenzen unterdrückt.

Um ein sauberes Signal mit gleichem Taktverhältnis zu erzeugen kann nach Abb.11 ein Teiler, etwa 4020 o.ä., nachgeschaltet werden. Der CMOS-Baustein 4060 enthält im gemeinsamen Gehäuse einen Oszillator und einen 14-Bit-Zähler (Abb.12, nicht alle Bits sind beim 4060 herausgeführt!). Wie bereits erwähnt weisen Quarzoszillatoren oft ein eigensinniges Verhalten auf und müssen nachträglich umfangreichen Tests unterzogen werden. Eine günstige, aber vor allem bereits geprüfte Alternative sind dagegen die fertig integrierten Quarzgeneratoren (Abb.13).

In vielen Einsatzbereichen kann das fehlerhafte Schwingen des Oszillators schwerwiegende Folgen für ganze Anlagenzweige nach sich ziehen. Kommt es auf sicheres Schwingverhalten an, dann werden auch Quarzoszillatoren im Digitalbereich mit diskreten Bauteilen aufgebaut. Auf diese Weise sind die Herstellerangaben aller Elemente meist ausreichend bekannt und erlauben gezielte, auf die jeweiligen Quarzdaten abgestimmte Berechnungen. Abb.14 und Abb.15 zeigen identische Pierce-Oszillatoren, jeweils verschieden gezeichnet. Erstere erinnert an die Darstellungsart, wie sie auch in CMOS-Schaltskizzen (siehe oben Abb.3 bis Abb.6) verwendet wird. Abb.16 zeigt ebenfalls eine Pierce-Schaltung, jedoch wird hier die nötige Basis-Vorspannung mit einem Spannungsteiler aus der Betriebsspannung gewonnen.

copyright 2004: Claude Jacobs, G.-D. of Luxembourg


Weiterführende Links:
Das große Quarzkochbuch im PDF-Format, von Bernd Neubig und Wolfgang Briese

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