Hallo ihr! Ich möchte gerne eine Oszillatorschaltung bauen mit einem 40 kHz Quarz (S40000 - PROWAVE). Verwenden möchte ich gerne dabei die Colpitts-Oszillator-Schaltung. Nun habe ich es diese Schaltung mal in PSpice aufgebaut. Jedoch habe ich hier schon das erste Problem: Ich weiß nicht wie ich den Quarz als passives LRC fuer 40 kHz dimensionieren muss?! Das Zweite Problem ist, ich weiß nicht wie ich die Wiederstände dimensionieren muss, damit der Schwingkreis anfängt zu schwingen. Die Schaltung die ich im Anhang habe ist zwar nicht für 40 kHz, funktioniert aber, wenn ich als Spannungsquelle nur einen kurzen Impus darauf gebe. Sobald ich diese jedoch durch eine DC-Spannungsquelle ersetze, fängt die Schaltung an nicht zu Schwingen. Könntet ihr mir bitte helfen? Vielen Dank im voraus, Philipp
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Philipp Groß schrieb: > Sobald ich diese jedoch durch eine DC-Spannungsquelle ersetze, fängt die > Schaltung an nicht zu Schwingen. Tippfehler? Wie soll es auch anfangen zu schwingen bei DC. Die Spule wirkt in diesem Fall wie ein normales Stück Draht und der Kondensator lädt sich einmal auf und fertig. Oder habe ich da bei Schwingkreisen etwas falsch verstanden.
Die Werte für das Ersatzschaltbild hast du jedenfalls nicht dem Datenblatt entnommen, und C1/C2 sind für 40kHz natürlich lächerlich klein.
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Die Schaltung habe ich aus dem Kochbuch für Oszillatoren genommen. (Im Anhang) The Crystal Cookbook (in German) Bernd Neubig & Wolfgang Briese Feldkirchen: Franzis-Verlag, 1997 ISBN 3-7723-5853-5 Das Problem bei meinem Quarz ist, im Datenblatt steht nicht welche Güte es hat. Ich kenne jedoch ...die Größe des Shuntkondensators Co = 2,3 pF ...R1 bzw Rs = 35 kOhm ...die Load-Capacitance CL = 12,5 pF Damit kann ich mir zumindest schonmal den Lastwiderstand ausrechnen mit Rl = R1 * (1+Co / Cl)^2 L = (Q*Rs)/(2pi*fs) Cs = 1/ (2*pi*fs*Q*Rs) Q = 1/ (2*pi*fs*R1*C1) Jedoch habe ich weder Q noch C1 und kann somit nicht L und Cs bestimmen... Ich denke mal L muss ziemlich groß sein, da normalerweise ja die Güte sehr hoch ist... Aber ich weiß nicht genau wie hoch... Aber das ist ja im Grunde auch nicht so wichtig, da der Quarz schon logischerweise komplett ist... Aber auch wenn ich meinen Lastwiderstand RL = 50000 setze, schwingt meine Schatlung nicht. Oder muss ich wirklich einen Impuls erzeugen, damit das anfängt zu schwingen? Und wenn ja, mit welcher Impulsdauer und welcher Amplitude? Aber laut Buch, müsste es auch so funktionieren?!
Daß Oszillatoren nicht (an)schwingen in der Simulation ist nichts ungewöhnliches. Es gibt Tricks wie eine Transiente auf die Betriebsspannung zu setzen. Oder einen Anfangswert weit von normal setzen. Wenn du ein Buch zu deinem Simulationstool hast, sollte das drinstehen. XL
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Für solche kleinen Quarze ist Deine Schaltung viel zu niederohmig. Schau Dir mal Schaltungen für Uhrenquarze (32kHz) an, z.B. im CD4060.
Hallo. Wenn Du dir den Artikel [6.3.1 Colpitts-Oszillator und Clapp-Guriett-Oszillator] RICHTIG durchliest bez. bearbeitest, findest Du die Lösung deines "Problemes" ! Falls nicht, hier die Gemeinde noch einmal ansprechen. Beste Grüße.
Du mußt bei diesen Oszillator ein Netzteil nehmen das "hart" einschaltet. Bei einen "Sanftanlauf" schwingt der Oszillator tatsächlich nicht an... . Grüße Löti
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LTSpice lässt den Oszillator im MHz-Bereich schwingen.
> LTSpice lässt den Oszillator im MHz-Bereich schwingen.
Das schaltet auch "hart" ein... .
Grüße Löti
Die Werte deines Quarzes (L,C) in deiner Simulation ergeben f = 1/(2*pi*sqrt(L*C)) f = 8841941,3Hz Außerdem betreibt man diese kleinen 32kHz oder 40kHz Schwinger nur mit kleinen Betriebsspannungen da diese nicht viel Leistung vertragen.
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In der Realität wäre es so: Oszillator schwingt nur mit einem Spannungsimpuls an: Güte grenzwertig Normalerweise würde der Oszillator bei richtiger Auslegung von alleine nur durch thermisches Rauschen der Komponenten anschwingen. Die Anschwingzeit ist auch ein Maß für die Güte. Bei so einem Quarz dürfen es gerne 100ms sein. Ein MHz-Quarz schwingt nach einigen 100us stabil. Alles andere ist verdächtig.
> Normalerweise würde der Oszillator bei richtiger Auslegung von alleine > nur durch thermisches Rauschen der Komponenten anschwingen. Tut der Oszillator einer 1,5V Uhr definitiv nicht, der startet durch einlegen der Batterie (= hartes Einschalten). Wenn ich meine Solaruhr in der Sonne vergesse und sie zu heiß wird bleibt der Oszillator stehen und es dauert mehrere Tage bis zu Wochen bis sie wieder loslegt, trotz 3,6V Akku. Grüße Löti
Ich habe es genau erklärt und bleibe bei meiner Meinung. Meine Kompetenz kenne ich, auch deren Grenzen, und im Allgemeinen wird sie durch Peer-Review geprüft :-)
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Hier mal ein leicht modifiziertes Beispiel das ich für die LTspice Yahoo group gemacht habe.
> Ich habe es genau erklärt und bleibe bei meiner Meinung.
Ich habe nur meine Beobachtung/Erfahrung wiedergegeben.
Grüße Löti
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Erstmal vielen Dank für die zahlreichen Rückmeldungen. Helmut S. schrieb: > Hier mal ein leicht modifiziertes Beispiel das ich für die LTspice Yahoo > group gemacht habe. Ich habe nun mal die Schaltung von Helmut S. in pSpice nachgebaut... Jedoch immer noch ohne Erfolg. Ich muss jedoch auch dazu sagen, dass ich pSpice-Neuling bin und nicht weiß wie und wo ich die Commands wie .ic, .trans usw. einstellen kann..?! hinz schrieb: > Philipp Groß schrieb: >> Jedoch habe ich weder Q > > Du darfst von 35000 ausgehen. Ich habe auch hinz sein Rat befolgt und bin von Q=35000 ausgegnagen und habe somit eine L = 4874.12 H und Cs = 3.25fF berechnet und diese in meine erste Schatlung eingetragen, auch hier kein Erfolg. Physiker schrieb: > Hallo. > Wenn Du dir den Artikel [6.3.1 Colpitts-Oszillator und > Clapp-Guriett-Oszillator] RICHTIG durchliest bez. bearbeitest, findest > Du die Lösung deines "Problemes" ! Falls nicht, hier die Gemeinde noch > einmal ansprechen. > Beste Grüße. Ich habe es mir noch mal durchgelesen, komme aber auf keinen grünen Zweig... Könntest du mir bitte nochmal behilflich sein? Ich mach nun schon über einen Tag an dieser Schaltung rum und bekomme sie einfach nicht zu laufen... Echt depremierend :-/
Philipp Groß schrieb: > Ich mach nun schon über einen Tag an dieser Schaltung rum und bekomme > sie einfach nicht zu laufen... Echt depremierend :-/ ich nutz den ungepufferten cd4069 für den quarzoszillator. ein inverter als oszillator den rest als treiber. die beschaltung vom quarzoszillator siehe cd4060.
Hier zwei Texte. Mit PSPICE kenne ich mich nicht aus. In LTspice schreibt man z.B. ".tran" einfach als SPICE-Syntax in die Zeichnung.
Was das Anschwingen angeht: In SPICE gibt es normalerweise kein Rauschen in der TRAN-Analyse. Du kannst aber die Versorgungsspannung rampen. Da in der Schaltung Nichtlinearitäten vorhanden sind, wird sie anschwingen. Vorausgesetzt, sie ist systematisch richtig und die Grundkriterien für Oszillatoren sind erfüllt, also Schleifenverstärkung und Phasenbeziehung ok.
Und für Obermeckerer Lothar: Die dritte Möglichkeit des Anschwingens, aber nur in Simulationen, ist numerisches Rauschen.
Abdul K. schrieb: > Hier zwei Texte. Mit PSPICE kenne ich mich nicht aus. In LTspice > schreibt man z.B. ".tran" einfach als SPICE-Syntax in die Zeichnung. Dankeschön :) Aber die sind auch wieder für Frequenzen im MHz-Bereich :-/ Abdul K. schrieb: > Du kannst aber die Versorgungsspannung rampen. Wie geht das denn in Pspice?
Philipp Groß schrieb: > Ich habe auch hinz sein Rat befolgt und bin von Q=35000 ausgegnagen und > habe somit eine L = 4874.12 H und Cs = 3.25fF berechnet und diese in > meine erste Schatlung eingetragen, auch hier kein Erfolg. Ein L von 4874 H ist nicht realisierbar, da solltest du dein C größer wählen. z.B. C = 100nF --> L=158uH oder sowas in der Art Schalte doch einfach mal eine Vpwl parallel zu deiner Batterie und gib damit einen kurzen Puls auf die Schaltung damit der Oszillator losstartet.
blablub schrieb: >> Ich habe auch hinz sein Rat befolgt und bin von Q=35000 ausgegnagen und >> habe somit eine L = 4874.12 H und Cs = 3.25fF berechnet und diese in >> meine erste Schatlung eingetragen, auch hier kein Erfolg. > > Ein L von 4874 H ist nicht realisierbar, da solltest du dein C größer > wählen. Häh? In einer Simulation ist alles möglich. Und ja, überschlagsmäßig passen 5000H und und 3fF für einen 40kHz Quarz. http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingquarz#Ersatzschaltung_und_elektrisches_Verhalten XL
>Häh? In einer Simulation ist alles möglich. Und ja, überschlagsmäßig >passen 5000H und und 3fF für einen 40kHz Quarz. Er verliert sich halt nicht im Simulationswahn sondern schielt mit einem Auge auch auf die Umsetzbarkeit später und so große Spulen... Gruß Jonas
In den Simulation Settings einfach mal "Skip the Initial bias Point calculation" ankreuzen. Dann startete die Schaltung nicht aus einem vorberechneten Arbeitspunkt heraus, sondern muss sich erst "einschwingen".
Die Schaltung von Philipp hat einfach das Problem, dass sei nur in einem sehr engen Fenster bezüglich der Beschaltung (Wahl der Widerstände) bei 40kHz schwingen wird. Deshalb verwendet Hinz und Kunz die Inverterschaltung die relativ unkritisch diemnsioniert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass jemand einen 40kHz Quarzoszillator in Kollektorschaltung benutzt ist 1:1000000 gegenüber der Inverteschaltung. Warum zum Teufel eine für 40kHz ungeeignete Schaltung nehmen. OK, man lernt dabei wie man es nicht machens soll. Vielleicht mach ich heute Abend zuhause trotzdem mal ein Beispiel mit seiner Kollektorschaltung. Natürlich in LTspice.
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Helmut S. schrieb: > Deshalb verwendet Hinz und Kunz die Inverterschaltung Also ich nehm die ja, aber bei Kunz bin ich mir nicht sicher. ;-)
jibi schrieb: >>Häh? In einer Simulation ist alles möglich. Und ja, überschlagsmäßig >>passen 5000H und und 3fF für einen 40kHz Quarz. > > Er verliert sich halt nicht im Simulationswahn sondern schielt mit einem > Auge auch auf die Umsetzbarkeit später und so große Spulen... Mein Güte, wie dämlich kann man sein? Diese Spule ist aus dem Ersatzschaltbild für den Quarz. XL
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Hier jetzt der für 40kHz nicht empfohlene Quarz-Oszillator. Das Ganze natürlich mit LTspice. Das kann Philipp jetzt nach PSPICE umsetzen. Tipp: Oszillatoren hoher Güte schwingen nicht, wenn man die "solver"-Methode Gear wählt. Im Setting von PSPICE steht solver-Methode "default" was immer das auch ist. Eventuell muss man in PSPICE direkt "trapezoidal wählen. In LTspice nimmt man immer "trap" und das ist eigentlich schon per Default eingestellt.
Helmut S. schrieb: > Oszillatoren hoher Güte schwingen nicht, wenn man die > "solver"-Methode Gear wählt. > Im Setting von PSPICE steht solver-Methode "default" was immer das auch > ist. Eventuell muss man in PSPICE direkt "trapezoidal wählen. > In LTspice nimmt man immer "trap" Es ist genau diese Art von "Spezialwissen" das mich immer wieder am Nutzwert von Simulationen zweifeln läßt. Ich zweifle nicht, daß man mit Simulationen interessante Dinge herausfinden kann. Aber blöderweise immer nur, wenn man vorher schon weiß wonach man suchen muß. XL
> ... immer nur, wenn man vorher schon weiß wonach man suchen muß.
Ich überlege mir immer ob das Simulationsergebnis meinen Erwartungen
entspricht. Wenn nicht, dann versuche ich herauszufinden ob es an der
Simulation liegt oder ob ich etwas falsch verstanden habe. Natürlich
hilft mir die Erfahrung da ich seit Jahrzehnten schon SPICE verwende.
Anfänger können das nicht herausfinden. Deshalb kommt dann dort als
erstes die Ansage "der Simulator hat einen bug".
WOW! Vielen vielen vielen herzlichen Dank!!!! - Echt SPITZE! :) Helmut S. schrieb: > eshalb verwendet Hinz und Kunz die Inverterschaltung die relativ > unkritisch diemnsioniert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass > jemand einen 40kHz Quarzoszillator in Kollektorschaltung benutzt ist > 1:1000000 gegenüber der Inverteschaltung. Warum zum Teufel eine für > 40kHz ungeeignete Schaltung nehmen. Ist nur das Widerstandsverhältnis das Problem? Der Grund wieso ich die Kollektorschaltung gewählt habe, war, dass ich eine sehr stabile Frequenz von 40Khz mit einer Sinusschwingung benötige und ich denke/dachte, dass für diesen Zweck diese Schaltung mit einem Quarz das richtige sei. - Aber ich lass mich auch gerne belehren. Wie würdet ihr dass den realisieren?
Die Bedienung jedes neuen Meßgeräte-Typs muß man lernen, ein Simulator ist nichts anderes.
Das stabilste sind Quarze. Früher hat man genau bestimmte Temperaturkompensation mit speziellen Keramiken der Kondis gemacht. Und der CMOS-Inverter ist fast so gut wie die allerbesten handgestrickten Bipolarversionen. Das wollen nur viele nicht hören.
> dass für diesen Zweck diese Schaltung mit einem Quarz das > richtige sei. Wenn Du einen Sinus benötigst ist DAS DIE Schaltung. Nur, auch mit 10Meg benötigt sie "ewig und drei Tage" zum Anschwingen*... . Grüße Löti *1,5s sind immer noch besser als meine Solaruhr, die benötigt Tage bis Wochen.
Hi, Lothar S. schrieb: > Wenn Du einen Sinus benötigst ist DAS DIE Schaltung. > Nur, auch mit 10Meg benötigt sie "ewig und drei Tage" zum > Anschwingen*... . also diese Schaltung erzeugt weder in der Simulation noch real einen schönen Sinus. Und die Dimensionierung widerspricht auch meinem elektronischen Bauchgefühl. Ich hatte mal Probleme mit genau dieser Schaltung, allerdings für höhere Frequenzen, da war der Basisspannungsteiler um 3 Zehnerpotenzen niedriger und musste zum sicheren Anschwingen noch weiter verkleinert werden. Ich sehe das Problem hier ist auch nicht im Simulationsprogramm, denn ich glaube nicht, dass man ein Schwingquarz einfach mit Kondensatorparametern modellieren kann. Grüße
Man sollte den Kondensator auch in Reihe und nicht parallel schalten. Und die Verstärkung muß zum Quarz passen. Aber ein guter Sinusoszillator ist immer eine Kunst... . Grüße Löti
Philipp Groß schrieb: > ... dass ich eine sehr stabile > Frequenz von 40Khz mit einer Sinusschwingung benötige und ich > denke/dachte, dass für diesen Zweck diese Schaltung mit einem Quarz das > richtige sei. - Aber ich lass mich auch gerne belehren. Kannst du mal Butter bei die Fische tun? Was nennst du "sehr stabil"? Geforderte Anfangsgenauigkeit? Kurzzeitstabilität (Jitter)? Langszeitstabilität (Alterung)? Temperaturstabilität? Und apropos "Sinusschwingung"? Welcher Klirrfaktor resp. Oberwellenanteil ist tolerierbar? Gibt es Anforderungen an die Amplitudenstabilität? Einen Sinusoszillator zu bauen ist in der Tat eine Kunst. Das Problem ist, die Amplitudenbedingung V(über alles) = 1 zu treffen. Ist V<1 dann schwingt der Oszillator nicht an. Ist V>1 dann verzerrt er. Nur für V=1.0000... ist das Ausgangssignal wirklich ein Sinus. Was für reale Schaltungen immer eine Verstärkungsregelung bzw. Amplitudenstabilisierung bedeutet. Einen Spot-Sinus-Generator (sprich: für genau eine Frequenz) baut man viel einfacher digital. Simpelst-Lösung ist ein Johnson-Zähler aus D-Flipflops, deren Ausgänge über Widerstände zusammengeschaltet einen Sinus approximieren. Nächste Eskalationsstufe ist ein EPROM mit Sinustabelle, dahinter DA-Wandler und davor ein quarzgesteuerter Zähler. Die große Lösung wäre ein DDS mit einem AD98xx (gibts beim Chinesen für weit unter EUR 10,- als Modul). Als Zwischenschwein könnte man einen AVR mißbrauchen (Jesper-DDS: http://www.myplace.nu/avr/minidds/index.htm). Den Ausgang natürlich noch filtern (wobei sich der Aufwand da in Grenzen hält, wenn man wirklich nur eine Frequenz braucht). Vorteile sind die Quarzstabilität der Frequenz. Nahezu perfekte Klirrwerte und Amplitudenstabilität jenseits von Gut und Böse. Und man kann problemlos auch krumme Frequenzen realisieren onhe gleich ein Vermögen für einen Spezialquarz auszugeben. XL
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Voraussetzung für die funktionierende und in den Ergebnissen plausible Simulation ist eine korrekte Netzliste (Schematics). Im Bild capture1.png fehlt ein junction zwischen C1 und C2. C3 ist (Simu) für die Katz. C2 im Bild capture2.png ist kurzgeschlossen. Wird das Bauteil (Kondensator) mit einem Doppelklick angewählt, kann neben dem Wert und der Toleranz auch die „Anfangsbedingung“ (initial condition, IC) eingegeben werden. Im Zeitpunkt 0 (Start der Simulation) ist dem Kondensator dann eine Vorspannung zugewiesen. Bei der Berechnung des bias point wird das berücksichtigt. PSpice legt die Stützstellen -jene an denen gerechnet wird- automatisch fest, wenn keine Vorgaben, um Rechenzeit zu sparen. Ändern sich Spannungen u. Ströme stark werden die Abstände von selbst reduziert. Ist bei „step ceiling“ kein Eintrag, hat die max. Schrittweite wenige % der „final time“. Bei der Simu mit der Impulsquelle wird eine Anstiegszeit von 30ns vorgegeben, daher macht das Programm die Zeit zwischen Stützstellen sehr kurz. Mit einer 9V DC-Spannungsquelle setzt die Schwingung (Simu) also auch ein wenn die Schrittweite, Parameter „Step ceiling“, z. B. auf 2ns gesetzt wird.
Ihr seit echt klasse! - Toll dass ihr so hilfsbereit seit! Lothar S. schrieb: > Wenn Du einen Sinus benötigst ist DAS DIE Schaltung. > Nur, auch mit 10Meg benötigt sie "ewig und drei Tage" zum > Anschwingen*... . Na das freut mich, dass ich hier die richtige Wahl getroffen habe :) Bloß wie berechne ich denn die Dimensionierung für die Widerstände? - Finde da nirgends etwas in der Literatur. Axel Schwenke schrieb: > Kannst du mal Butter bei die Fische tun? Was nennst du "sehr stabil"? > Geforderte Anfangsgenauigkeit? Kurzzeitstabilität (Jitter)? > Langszeitstabilität (Alterung)? Temperaturstabilität? Mit sehr stabil meine ich eine Frequenzstabilität von unter einem Herz. Die Anfangsgenauigkeit ist nicht wichtig. Langzeitstabilität ist auch nicht von belang genauso wie die Temperaturstabilität. Axel Schwenke schrieb: > Und apropos "Sinusschwingung"? Welcher Klirrfaktor resp. > Oberwellenanteil ist tolerierbar? Gibt es Anforderungen an die > Amplitudenstabilität? Klirrfaktor... - Man sollte schon noch erkennen dass es ein Sinus ist. - Aber dennoch ist hier eine hohe Toleranz verkraftbar. Die Amplitude ist auch nicht wichtig :D --> Wichtig ist eine sinusförmige Oscillation und eine möglichst stabile Frequenz (sehr geringer Jitter)
b35 schrieb: > Mit einer 9V DC-Spannungsquelle setzt die Schwingung (Simu) also auch > ein wenn die Schrittweite, Parameter „Step ceiling“, z. B. auf 2ns > gesetzt wird. Ahh.. genau... woran liegt es denn, das wenn ich die Schrittweite und die Endtime höher setze (z.B. 10us), dass dann der Quarz nicht mehr anfängt zu schwingen? - Denn wenn ich die Simulation ca. 5 sekunden laufen lasse mit 2 ns Schrittweite, versagt mein PC :-/
Du wirst viele Begriffe durcheinander. Lese erstmal einschlägige Papers. Wenn du bei dieser Oszillatorschaltung bleiben willst, ist ein Filter am Ausgang die einfachste Möglichkeit einen Sinus zu bekommen. WAS willst du denn GENAU machen?
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Ich bin zur Zeit auch daran ein 40 kHz Oscillator zu entwerfen (siehe Anhang). Wenn man diese aufbaut, schwingt sie wunderbar, bloß die Simulation läuft mit LTspice nicht, vielleicht aber ja bei dir mit dem Pspice. Einfach mal ausprobieren! Dennoch... Hat hier jemand eine Idee wieso die Simulation in LTspice nicht läuft? Liegt es vielleicht an dem CD4069UB? Das Modell habe neu implementiert... Die Simulationseinstellungen entsprechen den gleichn von Helmut S.. Einer ne Idee?
Mal kurz drübergesehen. Strukturmäßig siehts ok aus. Vermutlich haben die MOSFETs falsche Werte. Nimm diese hier, dann startet der Oszillator und ist nach 830ms stabil. Verbrät mit 3uW aber zuviel im Quarz. Die dürfen nur 1uW abkriegen. Also muß die Schleifenverstärkung noch korrigiert werden. Es reicht dann einfach tran 1 startup Der Rest kann weg. .model CD4069BN NMOS W=60u L=10u + Level=1 Gamma= 0 + Tox=1200n Phi=.6 Rs=0 Kp=111u Vto=2.0 Lambda=0.01 + Rd=0 Cbd=2.0p Cbs=2.0p Pb=.8 Cgso=0.1p + Cgdo=0.1p Is=16.64p N=1 .model CD4069BP PMOS W=60u L=10u + Level=1 Gamma= 0 + Tox=1200n Phi=.6 Rs=0 Kp=55u Vto=-1.5 Lambda=0.04 + Rd=0 Cbd=4.0p Cbs=4.0p Pb=.8 Cgso=0.2p + Cgdo=0.2p Is=16.64p N=1
WOW! Vielen Dank! :) Was für eine Schrittweite nimmt LT-Spice an, wenn ich einfach nur startup einstelle?
In diesem Fall stellt LTspice, wie auch andere SPICE-Programme, die Schrittweise dynamisch ein. Ändert sich etwas schnell, dann wird automatisch die Schrittweite reduziert. Ändert sich nichts, dann wird die Schrittweite erhöht. Genau genommen passiert das auch, wenn man eine Schrittweite vorgibt, denn diese gibt nur die obere Grenze für den Zeitschritt an.
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