Schwingquarz

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Zwei geöffnete Schwinguarze

Dieser Artikel beinhaltet Informationen zu Schwingquarzen. Für die Verwendung zusammen mit AVRs siehe Quarze und AVR.

Ein Schwingquarz, oder kurz Quarz wirkt elektrisch wie ein LC-Schwingkreis mit extrem hoher Güte. Schwingquarze werden in Oszillatoren zur Erzeugung von Frequenzen hoher Genauigkeit und Stabilität eingesetzt.

Genauigkeit und Stabilität

Schwingquarze haben Fertigungstoleranzen von 10-100ppm, die durch Parallelschaltung von Trimmkondensatoren ausgeglichen (gezogen) werden können. Ebenso hat die Frequenz eines Schwingquarzes eine Abhängigkeit von der Temperatur. Typisch sind Werte von 30 oder 50ppm über den erlaubten Temperaturbereich (-20 .. +70°C).

Bei erhöhten Anforderungen kann die Temperaturabhängigkeit entweder kompensiert werden; durch die Parallelschaltung von Kondensatoren mit geeignetem, entgegengesetzt wirkendem Temperaturkoeffizient. Oder man setzt den Schwingquarz mitsamt Oszillatorschaltung in einen Thermostaten. Im ersten Fall spricht man von einem TCXO, im letzteren von einem OCXO.

Die Einheit ppm steht für parts per million, zu Deutsch Millionstel und gibt die Abweichung vom Nennwert an. Ein Quarz mit Nennwert 10MHz und ±50ppm Fertigungstoleranz hat also eine Abweichung von maximal 50/1000000 * 10Mhz = 500Hz. Bzw. eine Frequenz zwischen 9.9995MHz und 10.0005MHz.

Verwendung

Quarzstabilisierte Oszillatoren werden immer dann eingesetzt, wenn die Anforderungen an die Grundgenauigkeit und/oder die Stabilität der Frequenz zu hoch sind, als daß sie durch RC- oder LC-Oszillatoren eingehalten werden könnten. Durch die recht hohe Fertigungsgenauigkeit benötigen Schaltungen mit Quarz oft keinen Abgleich.

Im Bereich der Mikrocontroller sind das im wesentlichen:

  • genauer Zeittakt, z.B. für Uhren
  • genaues Timing an Schnittstellen, z.B. UART oder USB

Quarze kann man sowohl als einzelnes Bauelement kaufen, als auch komplett mit Oszillatorschaltung in einem Gehäuse. TCXO und OCXO sind praktisch ausschließlich in letzterer Form erhältlich.

Viele Mikrocontroller enthalten bereits die notwendige Verstärkerschaltung für einen Quarzoszillator in Colpitts-Schaltung. In diesem Fall braucht man einen "nackten" Quarz und zwei Kondensatoren, von denen einer als Trimmkondensator ausgeführt sein kann. Siehe auch Quarze_und_AVR.

Frequenzen

4 MHz, 8 MHz, 10 MHz...
Diese "runde" Frequenzen sind meist leichter erhältlich und haben den Vorteil, dass man Verzögerungsschleifen und Rechendauern relativ leicht errechnen kann.
12 MHz
Aus dieser Frequenz erzeugen Software-USB Programme oft den für USB notwendigen Takt, oder USB-Einheiten benötigen entsprechene Quarze für die interne Takterzeugung.
32,768 kHz
Diese Quarze werden häufig als Uhrenquarze verwendet. Die Frequenz ist wegen 32768 = 215 besonders einfach bis zum Sekundentakt teilbar.
"Baudraten"-Frequenzen
Dies sind ganzzahlige Vielfache der bei RS232 üblichen Baudraten. Mit Baudraten-Frequenzen kann man mit den im Kontroller enthaltenen Teilern exakte Baudraten erreichen, siehe dazu Baudratenquarz. Mit "runden" Frequenzen entstehen u.U. einige Prozent Fehler.

Quarze in Eagle

In Eagle findet man Quarze in der Bibliothek "Crystal" in der Untergruppe "Crystal". Im Forum wurde eine Bibliothek mit mehreren SMD-Quarzen und Oszillatoren hochgeladen: Siehe Eagle-Bibliotheken: Kristalle und Oszillatoren.

Weblinks