Oszillator

Aus der Mikrocontroller.net Artikelsammlung, mit Beiträgen verschiedener Autoren (siehe Versionsgeschichte)
Wechseln zu: Navigation, Suche

Oszillatoren sind Schaltungen, die elektrische Schwingungen erzeugen.

Analoge Oszillatoren

Es gibt sehr viele verschiedene Typen von Oszillatoren mit sehr verschiedenen Eigenschaften. So gibt es Oszillatoren, welche Sinus- oder Rechtecksignale erzeugen, manche auch Sägezahn oder Dreieck.

Im Prinzip besteht jeder Oszillator aus einem Verstärker (Transistorstufe, Operationsverstärker, digitaler Schalter oder Speicher) einem frequenzbestimmenden Bauteil in Form eines Verzögerungsglieds (RC-Glied, LC-Glied, Quarz) und einer Rückkopplung. Bei digitalen Oszillatoren ist das frequenzbestimmende Element die Rückkopplung selbst, gfs. gepaart mit einem Takt.

RC-Oszillator

Dieser Oszillator basiert auf der Entladekurve eines RC-Glieds. Der klassische Vertreter ist der NE555. Dieser liefert ein Rechtecksignal. Mit einem Wien-Oszillator kann man ein Sinussignal erzeugen.

RC-Oszillator

Vorteile:

  • einfacher Aufbau
  • robust und anschwingsicher
  • geringste Einschwingzeit (typ. 1 Takt)
  • einfach in ICs integrierbar, z. B. Mikrocontroller

Nachteile:

  • oft ungenau und stark temperaturabhängig
  • produziert grossen Jitter
  • diskret nur bis einige Dutzend MHz sinnvoll einsetzbar, integriert in ICs um einiges höher

LC-Oszillator

Dieser Oszillator basiert auf der harmonischen Schwingung eines LC-Schwingkreises.

Vorteile

  • höhere Güte und damit höhere Genauigkeit als der RC-Oszillator
  • HF-tauglich bis in den GHz Bereich

Nachteile

  • benötigt eine Spule, kann damit nicht in ICs integriert werden

Meissner-Oszillator

Meissner-Oszillator

Colpitts-Oszillator

Colpitts-Oszillator

Hartley-Oszillator

Hartley-Oszillator

Huth-Kuehn-Oszillator

Huth-Kuehn-Oszillator

Quarzoszillator

Dieser Oszillator basiert auf der harmonischen Schwingung eines Schwingquarz (Wikipedia). Die Lastkapazität der Schaltung und der Schwingquarz müssen aufeinander abgestimmt sein.

Quarz-Oszillator

Vorteile:

  • sehr hohe Güte und damit sehr hohe Genauigkeit
  • Frequenzbereich vom Uhrenquarz (32,768kHz) bis ca. 30MHz
  • gibt es als fertiges, preisgünstiges Bauteil in vielen Variationen bis über 100 MHz
  • gibt es auch als Quarzoszillatoren mit programmierbarer Frequenz

Nachteile:

  • auf Grund der Abmessungen und der Technologie kann der Quarz schlecht in ICs integriert werden (bis auf wenige Spezial-ICs)
  • kann bei schlechter Dimensionierung unsauber schwingen oder auch erst gar nicht anschwingen
  • lange Einschwingzeit (10..100ms)
  • Bei höheren Frequenzen (>30MHz) ist Obertonbetrieb notwendig
  • Kompromiss zwischen Stabilität (hohe Lastkapazität/ hohe Leistung) und Stromverbrauch (geringe Lastkapazität)
  • zur Fertigungstoleranz kommen Temperaturabhängigkeit (quadratisch!) und Alterungseffekte, mehr als 20ppm Abweichung

Digitale Oszillatoren

physikalischer Oszillator

Mit einem rückgekoppelten Inverter lässt sich eine Schwingschaltung direkt aufbauen. Diese funktioniert streng genommen analog, da sie keine diskreten Zeiten und Zustände annimmt. Bei ausreichend langsamen Technologien oder mehrfach hintereinander geschalteten Elementen gehen die Stufen jedoch in Sättigung, wodurch auch bei Belastung ein nutzbares digitales Signal entsteht. Die Eigenschaften sind ähnlich dem des diskreten, analogen Oszillators:

Vorteile:

  • Leicht in digitalen Schaltungen integrierbar
  • preisgünstig und platzsparend

Nachteile:

  • Grundfrequenz extrem technologieabhängig
  • Variation stark temperaturabhängig

virtueller Oszillator

Die Formeln für analoge Oszillatoren lassen sich mathematisch formulieren und in digitalen Schaltungen abbilden. Die Erreichbare Genauigkeit hängt dann am Takt des digitalen Systems. Die maximal Frequenz entspricht Taktfrequenz / Rechenschritte. Eine DGL 2. Ordnung lässt sich zusammen mit Lade- und Speicheroperationen in einem aktuellen AVR mit etwa 6-8 Schritten bewerkstelligen. Ein AVR mit 16MHz kann damit einen Oszillator deutlich > 1MHz verwirklichen. Das so gewonnene Signal hat eine entsprechende Bitbreite und muss auf einem DAC ausgegeben werden.

Ein einfacher digitaler Rechteck-Oszillator lässt sich auch hier mit einem Inverter / Negierung eines Signals / Variable erzeugen.

Siehe auch

Weblinks

Abgerufen von „https://www.mikrocontroller.net/index.php?title=Oszillator&oldid=104870“