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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Quarze und die Stützkondensatoren


Autor: Christof Rieger (Gast)
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Bei einem Quarz (1MHz - 20MHz) schaltet man stets an jeden
Quarzanschluss einen Kondensator gegen Masse. Ich habe mich bei den
C-Werten immer an einem alten Aufbau orientiert, da waren bei einem
4Mhz Quarz zwei 27pF beigeschaltet. Hatte ich nun einen Quarz mit
höherer Frequenz habe ich die C kleiner gemacht und umgekehrt. Im
Reicheltkatalog sind CL Werte angegeben. Beim 3,686411 Mhz HC49U-s sind
16pF angegebeben. Sind das die Werte für diese Kondensatoren oder kann
man die daraus berechnen? Die Eingangskapazitäten des Controllers muss
ich ja auch mit berücksichtigen?

Autor: Socke (Gast)
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Hi,
habe mal eine gute BEschreibung gefunden.
Durch die Kondensatoren wird der Quarz entweder langsamer oder
schneller, leider finde ich das Datenblatt nicht mehr. Die Werte sind
also nicht wirklich kritisch, ausser bei nem RTC o.ä.

Die alte Socke

Autor: René König (Gast)
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Autor: Christof Rieger (Gast)
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Tausendank,

Die Formel: C=2xCL-(CP+CI)
CP: Leiterbahnen bedingte Kapazität
CI: Portbedingte Kapazität
CP+CI ca. 5pF
damit: C=2x16pF-5pF=27pF

27pF hatte ich auch in meinem Erstdesigen eingeplant. Wegen dem CL-Wert
hatte ich die C's geändert.
Wie all zu oft, des Deppen erster Gedanke ist meist der Richtige, wenn
auch keine Logik dahinter steckt.

Autor: ewitt (Gast)
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Wenn bei einem Microcontroller die Eingänge EXTAl XTAL mit je 7pf 
angegeben sind, ist dann die oben genannte CI: Portbedingte Kapazität, 
dieser Wert oder die Serienschaltung von EXTAL und XTAL also 3,5pF?

danke!

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Bei einem in einen Microkontroller integrierten Piere-Oszillator gibt 
der Hersteller des Microkontroller die Größe der Burdencaps vor. Nimm 
mal an, daß der Hersteller bei einer bestimmten Frequenz Burdencaps 
zwischen 20...40pF vorschlägt. Dann solltest du beispielsweise zwei 33pF 
Burdencaps nehmen.

Wenn du genau die auf den Quarz aufgedruckte Frequenz treffen willst, 
sollte die vom Hersteller des Quarzes empfohlene Lastkapazität Cl 
zusätzlich ziemlich genau von der Anordnung der Burdencaps getroffen 
werden. Das berechnest du so:

Parallel zu den Burdencaps liegt jeweils die parasitäre Eingangs- bzw. 
Ausgangskapazität des Pierce-Oszillators von rund 5pF. Also hängt an 
jeder Seite des Quarzes eine Kapazität von 33pF + 5pF = 38pF. Die 
effektive Lastkapazität des Quarzes, also das, was der Quarz tatsächlich 
sieht, ist nun die SERIENSCHALTUNG aus diesen beiden Kapazitäten, also 
38pF/2 = 19pF.

Die vom Hersteller des Quarzes empfohlene Lastkapazität Cl sollte also 
rund 20pF betragen. Unterscheidet sie sich deutlich von diesem Wert, 
wird der Quarz etwas neben der aufgedruckten Frequenz liegen, aber der 
Oszillator wird trotzdem sicher anschwingen. Solltes du allerdings die 
Burdencaps drastisch verkleinern oder vergrößern, nur um damit auf die 
vom Hersteller des Quarzes empfohlene Lastkapazität Cl zu kommen, 
riskierst du, daß der Pierce-Oszillator garnicht anschwingt oder 
instabil läuft.

Also, nochmals: Der Hersteller des Microkontrollers gibt die Größe der 
Burdencaps vor. Daraus errechnet sich die effektive Lastkapazität des 
Quarzes. Dann suchst du einen Quarz heraus, dessen empfohlene 
Lastkapazität mit der oben berechneten übereinstimmt.

In der Regel ist dieses Zusammenspiel völlig unkritisch, weil die 
Hersteller von Microkontrollern und Quarzen naürlich aufeinander 
eingespielt sind und man gängige Werte herstellt bzw. unterstellt. 
Manchmal jedoch gibt es Probleme, wenn der Pierce-Oszillator des 
Microkontoller Murks ist (z.B. AT89S8253) oder ein Händler einen 
exotischen Quarz im Programm hat. Oder aber natürlich, wenn sich ein 
oversmarter Depp nicht an das Datenblatt hält.

Kai Klaas

Autor: A. K. (prx)
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Die Hersteller der Controller pflegen nicht selten eine Application Note 
zum Oszillator zu veröffentlichen.

Autor: Mark H. (dbmaxpayne)
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Hi, ich hijacke mal den Thread hir :)

Und zwar baue ich gerade das CANUSB-Interface von Mictronics.
Dort ist an einem FT245 USB-Controller ein Quarz mit zwei 27pF 
Kondensatoren vorgesehen.
Leider hat Reichelt solche Werte nicht als SMD im Angebot.
Kann ich hier auch einen 22pF oder einen 33pF nehmen?
Wenn ja, welcher wäre besser geeignet?

Danke und Gruß
Mark

Autor: Carsten Sch. (dg3ycs)
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Hi,

Mark H. schrieb:
> Hi, ich hijacke mal den Thread hir :)
>
> Und zwar baue ich gerade das CANUSB-Interface von Mictronics.
> Dort ist an einem FT245 USB-Controller ein Quarz mit zwei 27pF
> Kondensatoren vorgesehen.
> Leider hat Reichelt solche Werte nicht als SMD im Angebot.
> Kann ich hier auch einen 22pF oder einen 33pF nehmen?
> Wenn ja, welcher wäre besser geeignet?
>
> Danke und Gruß
> Mark

Dazu schaut man am besten ins Datenblatt des ICs.
Dort findest du dann das:
FTDI schrieb im Datenblatt
>Figure 5 illustrates how to use the FT245BM with a 6MHz Crystal or 2-Pin
>Ceramic Resonator. In this case, these devices do not have in-built
>loading capacitors so these have to be added between XTIN, XTOUT and GND
>as shown. A value of 27pF is shown as the capacitor in the example – this
>will be good for many crystals and some resonators but do select the
>value based on the manufacturers recommendations wherever possible. If
>using a crystal, use a parallel cut type. If using a resonator, see the
>previous note on frequency accuracy.

Zu Deutsch:
Im Beispiel wurde ein 27pF Kondensator ausgewählt 
(Pi*Daumen+Erfahrungswert) der in der Regel ausreichend gut 
funktioniert. Für Wirklich Optimale Ergebnisse sollte man wo es möglich 
ist die Werte die vom QUARZHERSTELLER (alternativ 
Keramikresonatorhersteller) vorgegeben sind einhalten. Allerdings dürfte 
es wohl schwer sein für die von Reichelt bezogenen Quarze ein echtes 
Specsheet zu bekommen. Für µC Technik aber ehrlich gesagt fast immer 
auch unnötig da in 99,9% der Fälle Pi*Daumen völlig ausreicht. (Bei HF 
Technik oder genauer Messtechnik wo der Quarz als Referenz herhalten 
muss aber fast undenkbar, zumindest meist Pfusch)

Es könnte sogar sein das der Quarz mit einem der alternativen Cs besser 
läuft. Warum hat Kai Klaas ja gut erklärt. Wahrscheinlich läuft er aber 
mit BEIDEN absolut ausreichend genau. Immerhin dürfen ja auch 
Keramikresonatoren verendet werden die um welten "instabiler" sind als 
der Quarz. Soweit wirst du deinen Quarz so mit diesen 3pF wohl nicht 
verstimmen.
Daher bestelle beide Werte - kostet ja nichts- baue den Wert ein der dir 
in die Finger kommt. Und falls es nicht läuft (höchst 
unwahrscheinlich!)nimm halt den anderen. Ich persöhnlich würde zum 
niedrigeren tendiren. Aber wohl auch nur weil ich selbst meist bei 8Bit 
µC Schaltungen 22pF einsetze.

Genauer -und ob jetzt der höhere oder niedrigere Wert besser sein 
könnte- kann dir ohne Datenblatt des Quarzes aber niemand sagen.

Gruß
Carsten

Autor: Peter R. (pnu)
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Bei der mit den Kontrollern verwendeten Quarzoszillatorschaltung 
entsteht bei der Rechnung  ein negativer Widerstandwert R = S/ (Xa *Xb)
S ist dabei die Steilheit des invertierenden Verstärkers im IC, Xa und 
Xb sind die Blindwiderstände der hier fälschlich als Stützkondensatoren 
bezeichneten Kondensatoren.
Dieser negative Widerstand muss nun größer sein als der 
Verlustwiderstand des Quarzes, damit die Schaltung schwingt.

Im Datenblatt steht ein vorgeschlagener, sicherer Wert.

Werden die C's größer gemacht, kommt man an die Grenze, bei der der Oszi 
nicht mehr schwingt.

Werden die C's kleiner gemacht, kann die Schaltung anfangen zu "spinnen" 
wie tröpfeln, schwingen auf falschen modes usw.

Da in Xa und Xb auch omega steckt, ist die Größe eigentlich 
frequenzabhängig wählbar.

Selbstverständlich ändert sich mit Ca,Cb auch die Schwingfrequenz des 
Quarzes, aber nur im Bereich eines Zehntausendstels, was bei Kontrollern 
meist nichts ausmacht.

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