Quarzoszillator
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[Bearbeiten] Allgemeines
Ein Quarzoszillator ist eine elektronische Schaltung zum Erzeugen von Schwingungen, welche in ihrer Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) sehr genau sind. Oszillatoren mit Schwingkreisen sind oft zu groß und zu ungenau (Langzeitstabilität nur etwa 1% der Sollfrequenz). In der Praxis ist der Quarzoszillator oft als Taktgeber in Prozessoren, Mikrocontroller, Soundkarten und Uhren zu finden.
[Bearbeiten] Technischer Aufbau
Quarze sind meist Kristallplatten (manchmal auch in Form von Stäben oder Stimmgabeln), die durch elektrische Spannung zu mechanischen Formänderungen gezwungen werden können (siehe Rastersondenmikroskopie). Umgekehrt erzeugt ein mechanischer Kraftstoß eine elektrische Spannung im Piezofeuerzeug.
Legt man an ein Quarz eine Wechselspannung der richtigen Frequenz, so wird es zu besonders starken Resonanzschwingungen angeregt (Ultraschall-Lautsprecher). Diese Frequenz ist bei geeignetem Kristallschnitt fast unabhängig von Umgebungseinflüssen wie Temperatur und kann deshalb als präziser Taktgeber verwendet werden (Langzeitstabilität besser als 0,0001%).
Elektrisch gesehen, besitzen schwingende Quarzplatten folgende Besonderheiten:
- Sie können in Serienresonanz betrieben werden. Dann ist ihr scheinbarer Widerstand für den Wechselstrom besonders gering und sie verhalten sich wie eine Serienschaltung aus einer Spule und einem Kondensator.
- Sie können in Parallelresonanz betrieben werden, wobei ihr scheinbarer Widerstand besonders groß ist. Dann verhalten sie sich so wie eine Parallelschaltung von Kondensator und Spule mit der Besonderheit, dass kein Gleichstrom fließen kann (Quarz ist ein sehr guter Isolator). Diese Parallelresonanz liegt etwa 0,1% höher als die Serienresonanz und kann durch einen parallel geschalteten kleinen Kondensator geringfügig geändert werden.
- Ein vergleichbares elektrisches Verhalten findet man bei der dreifachen, fünffachen, usw.. der Grundfrequenz. Ein Quarz, das also für 9 MHz gefertigt wurde, kann man auch auf 27 MHz oder (mit kleinen Tricks) auf 45 MHz schwingen lassen.
Die rechts gezeigte Schaltung verwendet zwei Logik-Gatter aus dem Standardbaustein 74HC00, die anderen beiden bleiben unbenutzt. Das erste UND-Gatter wird durch den 5 MOhm-Widerstand etwas außerhalb der üblichen Betriebsweise verwendet: Diese Gegenkopplung macht aus dem invertierenden Gatter fast einen Analogverstärker. Dessen HiFi-Qualität ist zwar sehr bescheiden, für einen Oszillator reicht es aber. Durch die Kombination aus dem 10 kOhm-Widerstand, dem Kondensator und dem Quarz schwingt dieses in Parallel-Resonanz auf der Grundfrequenz. Die Schaltung ist ohne große Änderung für alle Quarzfrequenzen zwischen etwa 30 kHz und 10 MHz verwendbar, die erzeugte Frequenz kann man durch Variation des Kondensators oder des 5 k-Widerstandes geringfügig ändern. Diese Schaltung wird normalerweise als Taktgenerator in Uhren oder Mikroprozessoren eingesetzt. Das Ausgangssignal ist nicht sinusförmig sondern rechteckförmig und deshalb geeignet zur Steuerung anderer Digitalbausteine wie Gatter oder Flipflops.
Die nächste Schaltung ist für höhere Frequenzen dimensioniert und erzeugt - je nach Resonanzfrequenz des Schwingkreises - entweder 15 MHz oder 45 MHz. Den Schwingkreis muss man etwa auf die Frequenz der (ungeraden) Oberwelle abstimmen, die man erzeugen möchte. Das Synchronisieren der Frequenzen von Quarz und Schwingkreis kann man an der sprunghaften Änderung der Spannung zwischen den Messpunkten A und B erkennen. Auffallend an dieser Schaltung ist das Fehlen einer sichtbaren Rückkopplung. Trotzdem funktioniert diese Schaltung, weil der Transistor interne Kapazitäten sowohl zwischen Kollektor und Emitter als auch zwischen Basis und Emitter besitzt.
[Bearbeiten] Kommerzielle Schaltungen
Im engeren Sinne ist ein Quarzoszillator eine fertig aufgebaute Oszillatorschaltung, die zusammen mit dem frequenzbestimmenden Quarz in einem Gehäuse eingebaut ist und als Standardbauteil erhältlich ist. Seine Funktion besteht darin, eine (meist TTL-kompatible) Rechteckspannung (ein Taktsignal) mit sehr genau definierter Frequenz zu liefern. Die Frequenz des Quarzoszillators ist normalerweise in Megahertz auf der Gehäuseoberseite aufgedruckt. Die Ungenauigkeit der Frequenz wird in ppm (Millionsteln) angegeben. Je geringer diese Ungenauigkeit, desto aufwendiger (und damit teurer) ist das Bauteil.
Weiterhin besteht eine leichte Temperaturabhängigkeit der Frequenz. Für größere Ansprüche an den Temperaturgang gibt es temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXO – Temperature Compensated Crystal Oscillator) und Quarzöfen (per Thermostat beheizte Oszillatoren) (OCXO – Oven Controlled Crystal Oscillator) („X“ jeweils für Xtal, Kurzform von Crystal).
Eine weitere Abart bilden Oszillatoren mit per Spannung steuerbarer („ziehbarer“) Frequenz (VCXO – Voltage Controlled Crystal Oscillator – bzw. TCVCXO und OCVCXO für temperaturkompensierte und beheizte Oszillatoren). Dabei kann die Frequenz meist nur in der Größenordnung von 100 ppm verändert werden.
[Bearbeiten] Bauformen und Beschaltung
Geläufige Bauformen für die Durchsteckmontage sind DIP 14 (rechteckig, siehe Bild) und DIP 8 (quadratisch). Ein Pin des Quarzoszillators ist in der Regel mit einem Punkt an der Gehäuseoberseite gekennzeichnet. Bei diesem Pin handelt es sich um Pin 1, welcher nicht angeschlossen ist. Dieser Pin dient nur der mechanischen Stabilität und Symmetrie des Bauteils. Der Pin rechts daneben ist bei DIL 14 Pin 7 und bei DIL 8 Pin 4 (Zählung wie beim Standard-DIL-Gehäuse, welches 14 bzw. 8 Pins hat). Er wird mit GND (Masse) verbunden. Der Pin darüber ist bei DIL 14 Pin 8 und bei DIL 8 Pin 5. An ihm ist das Taktsignal zu entnehmen. Der vierte Pin ist bei DIL 14 Pin 14 und bei DIL 8 Pin 8. Er wird mit der Versorgungsspannung (meist +5 Volt) verbunden.
