Hallo,
ich habe Problem mit Verstehen von Quarz warum schwingt! Quarz ist
kapazitive Element. Bekommt Kondensator, auch kapazitiv. Warum schwingt?
Schwingt von selbst oder macht integrierter Schatlkreis - wenn
angeschlossen? Ich kann nicht verstehen! Quarz macht Schwing, aber warum
macht Takt? Nur Quarz und Kondensator macht schwingende Takt - kann ich
mir nicht vorstellen. Nehme ich Quarz und Kondensator nix schwingen,
oder? Schwingt von selbst oder macht nur mit integrierte Schaltkreis?
Wie funktioniert? Bitte Hilfe um Verständnis - Viele Danke!
Warumschwingt@Bulgaria
Der entscheidende Punkt ist, dass es sich bei einem Quarz nicht um einen
typischen eletrischen Schwingkreis handelt, sondern der Quarz schwingt
tatsächlich mechanisch (Piezo), d.h. bei anlegen von Spannung verformt
er sich un gibt beim annehmen der ursprünglichen Form diese Energie
wieder ab.
Gruß
Tom
> Quarz ist kapazitive Element.
Nein.
> Warum schwingt
Von alleine schwingt da gar nichts.
Den kannst du auf den Tisch legen und der bleibt ganz ruhig.
Brummt nicht mal.
Erst wenn du an eine Seite ein Signal legst, kommt das am
anderen Anschluss mit kleiner Zeitverzögerung wieder raus.
Und nur bei Signalen im passenden Frequenzbereich kommt davon
auch viel wieder raus.
Er wirkt also wie ein Bandpass, ein Frequenzfilter, so dass
die Oszillatorschaltung nur diese Frequenz ausreichend verstärkt.
Seine Hauptaufgabe ist also eher, alle anderen Frequenzen stark
zu dämpfen.
http://www.qsl.net/dk1ag/buch.html
>Der entscheidende Punkt ist, dass es sich bei einem Quarz nicht um einen>typischen eletrischen Schwingkreis handelt, sondern der Quarz schwingt>tatsächlich mechanisch (Piezo), d.h. bei anlegen von Spannung verformt>er sich un gibt beim annehmen der ursprünglichen Form diese Energie>wieder ab.
Koppelt diese Schwingung über die Oberfläche nicht in ein anderes
Medium(Luft) ein? Kann man es hörbar(durch runtermischen) machen?
Wenn es hörbar ist, dann verbraucht er auch Energie.
"verschleisst" er nicht durch diese mechanische Schwingung?
> Koppelt diese Schwingung über die Oberfläche nicht in ein anderes> Medium(Luft) ein?
Ja.
> Kann man es hörbar(durch runtermischen) machen?
Ja.
Uhren werden z.B. durch 'hören' des 32768.0000 kHz Quartzes abgeglichen.
> Wenn es hörbar ist, dann verbraucht er auch Energie.
Ja.
Daher musst du dem Schwingkreis ständig Energie zuführen.
> "verschleisst" er nicht durch diese mechanische Schwingung?
Ja.
Hallo,
auch ich kenne mich mit Schwingquarzen nicht sonderlich gut aus, habe
also - insoweit ich das richtig verstanden habe - das selbe
Verständnisproblem wie der OP.
MaWin schrieb:> Von alleine schwingt da gar nichts. Den kannst du auf den Tisch legen> und der bleibt ganz ruhig. Brummt nicht mal.
Das steht ja ausser Frage, schreibt doch der TO: "Nur Quarz und
Kondensator macht schwingende Takt - kann ich mir nicht vorstellen.
Nehme ich Quarz und Kondensator nix schwingen..."
> Erst wenn du an eine Seite ein Signal legst, kommt das am> anderen Anschluss mit kleiner Zeitverzögerung wieder raus.
Hmm, ein Signal. Vermutlich sogar ein Wechselsignal. Wikipedia meint ja
auch: "Der Schwingquarz führt im elektrischen Wechselfeld
Deformationsschwingungen, wenn die Frequenz des Wechselfeldes mit der
Eigenfrequenz des Quarzplättchens übereinstimmt."
> Und nur bei Signalen im passenden Frequenzbereich kommt davon> auch viel wieder raus.
Und genau da liegt der Hund begraben, woher kommt denn das
Wechselsignal?
Hätte ich ein vom Mikrocontroller bereitgestelltes passendes
Wechselsignal dann bräuchte ich ja erst gar keinen Quarz. Der Hund
beisst sich also in die Rute, gewissermaszen.
> Er wirkt also wie ein Bandpass, ein Frequenzfilter, so dass> die Oszillatorschaltung nur diese Frequenz ausreichend verstärkt.> Seine Hauptaufgabe ist also eher, alle anderen Frequenzen stark> zu dämpfen.
Klingt logisch, nur die Frage nach der Entstehung des "anregenden
Wechselfelds" bleibt bestehen.
Mit der Bitte um Erlauchung, Iwan
Иван S. schrieb:> Klingt logisch, nur die Frage nach der Entstehung des "anregenden> Wechselfelds" bleibt bestehen.
Ich meine mich zu erinnern, dass ein Quarzoszillator in einer
idealisierten Schaltung nicht anschwingt. Er braucht ein bischen
Realität dazu.
Иван S. schrieb:>> Er wirkt also wie ein Bandpass, ein Frequenzfilter, so dass>> die Oszillatorschaltung nur diese Frequenz ausreichend verstärkt.>> Seine Hauptaufgabe ist also eher, alle anderen Frequenzen stark>> zu dämpfen.>> Klingt logisch, nur die Frage nach der Entstehung des "anregenden> Wechselfelds" bleibt bestehen.
So wie ich das verstehe, wird der Quarz ja in einen Schwingkreis
eingebaut, also eine Schaltung die von sich aus schon schwingen würde.
Der Quarz prägt dann diesem Schwingkreis nur seine Frequenz auf.
Karl heinz Buchegger schrieb:> So wie ich das verstehe, wird der Quarz ja in einen Schwingkreis> eingebaut, also eine Schaltung die von sich aus schon schwingen würde.
Der übliche Pierce-Oszillator im Controller besteht aus einem
ungepufferten CMOS-Inverter mit Rückkopplung durch Widerstand und Quarz.
Ohne Quarz ist das die klassische lineare CMOS-Verstärkerschaltung (vgl.
invertierender OPV) und da schwingt nix, da rauscht es nur ein bischen.
Das schwingt erst, wenn jemand im Rückkopplungsnetzwerk für 180°
Phasendrehung sorgt.
Иван S. schrieb:> Klingt logisch, nur die Frage nach der Entstehung des "anregenden> Wechselfelds" bleibt bestehen.
Das ist im Zweifelsfalle der Einschaltimpuls. Der führt zu einer
gedämpften Schwingung im Quarz (der ja nicht nur filtert, sondern
eben -- wie beispielsweise ein Pendel -- dabei auch Energie
aufnimmt, die er danach abgegen kann). Diese Schwingung wird vom
Oszillator verstärkt und dann vom Ausgang wieder auf den Quarz
gegeben.
Понятьно?
Danke, wieder was gelernt!
Jörg Wunsch schrieb:> Понятьно?
да, большое спасибо. (Gut, daß das Wörterbuch in der Nähe liegt.
Selbststudium eine Fremdsprache ohne Unterstützung ist nicht möglich,
das habe ich leider auch gelernt.)
Der Verstärker im Oszillator macht zwischen Ein- und Ausgang eine
Phasendrehung von 180°. Und der Quarz macht auf seiner Resonanzfrequenz
auch 180° Phasenverschiebung. Und wenn ein Verstärker mit Verstärkung >
1 mit 360° Phasenverschiebung rückgekoppelt wird, schwingt er eben.
Da braucht er keine mechanische Energie aufnehmen, denn das elektrische
Ersatzschaltbild ist entweder ein Parallel- oder Serienschwingkreis.
Das ganze lässt sich auch mechanisch sehen.
Häng eine Spiralfeder an einem Ende auf. An das andere Ende kommt ein
Gewicht. Hat sich das ganze beruhigt, schwingt nichts.
Nun kommt der Startimpuls: Stoße mit der Hand das Gewicht nach oben.
Kommt nun kein weiterer Impuls, wird sich das ganze nach einiger Zeit
ausschwingen.
Stößt Du aber das Gewicht immer dann nach oben, wenn es ganz unten
ankommt, wird das ganze "ewig" schwingen. Und das mit immer der gleichen
Frequenz.
Ist das Gewicht zu schwer, wird sich die Feder mit der Zeit dehnen und
dir Frequenz stimmt nicht mehr. Bei zu großem Gewicht kann die Feder
auch irgendwann brechen.
Dein Anstoßen im Tiefpunkt kannst Du mit einer phasenverschobenen
Anregung um 180° vergleichen.
Damit das System nicht aufschaukelt und überschwingt, hängst Du es in
ein Ölbad (= Kondensatoren).
Elektrotechnik ist spielend einfach, wenn man komplexe
Vorgänge auf andere leicht verständlichere Dinge übertragen kann.
@Christian H. :
Geniale Erklärung.
Pascal L. schrieb:> Elektrotechnik ist spielend einfach, wenn man komplexe> Vorgänge auf andere leicht verständlichere Dinge übertragen kann.>> @Christian H. :> Geniale Erklärung.
Vorsicht, muss nicht 100%ig sauber sein.
Speziell bei der Sache mit dem Öl bin ich mir nicht sicher ;-)
Christian H. schrieb:> Speziell bei der Sache mit dem Öl bin ich mir nicht sicher ;-)
Ist eher ein Dämpfungswiderstand denn ein Kondensator, denn die
durch das Öl entnommene Energie wird ja nicht gespeichert, sondern
in eine andere Energieform (Wärme) gewandelt.
Christian H. schrieb:> Damit das System nicht aufschaukelt und überschwingt, hängst Du es in> ein Ölbad (= Kondensatoren).
Ein Kondensator macht dir aber keine Daempfung.
Im mechanischem System ist es die Reibung. Viskositaet des Oels.
Im elektrischen System sind es die ohmischen Verlustwiderstaende.
Damit der Quarz zu schwingen anfaengt brauchts einen Verstaerker der
die Verluste die die Schwingkreis Quarz hat wieder ausgleicht.
Ob der Verstaerker jetzt 180 oder 360 Grad Phasenverschiebung machen
muss haengt von der Beschaltung des Quarzes ab. Betreibt man ihm in
Serienresonanz muss der Verstaerker 360 Grad Phasenverschiebung machen
bei Parallelresonanz muss er nur 180 Grad machen. Auch liegen
Paralleresonanz und Serienresonanz des Quarzes um einige kHz
auseinander.
Anschwingen tut der Oszillator entweder durch den Einschaltimpuls oder
durch das immer vorhandene Rauschen in der Schaltung. Aus diesem
Rauschen das ja theoretisch alle Frequenzen enthaelt wird halt nur die
Frequenz von Quarz ausgefiltert die seiner Eigenresonanz entspricht. Die
wird dann wieder verstaerkt auf dem Quarz gegeben. Und so schaukelt sich
das ganze dann auf.
Gruss Helmi
Ein reiner Quarz ohne Beschaltung hat an der Resonanzsstelle nur 90°
Phasenverschiebung (Phase-Lag). Erst mit den Burdenkondensatoren und
einer gewissen Ausgangsimpedanz des Inverters des Pierce-Oszillators
kommt die Gegegnkopplung auf die nötigen 180°.
Im Anhang ist die Situation einmal mit und ohne Beschaltung gezeigt. Die
Generatorspannung ist rechts, da dort auch der Ausgang des gedachten
Pierce-Oszillators sitzt.
Man bedenke, daß die Rückkkopplung nicht unbedingt eine Verstärkung
liefern muß. Das tut in der Regel der Inverter. Außerdem ist zu
bedenken, daß langsame Inverter durch die Durchlaufverzögerung
Phasendrehungen von etwas mehr als 180° aufweisen können. Deswegen
scheinen Pierce-Oszillatoren manchmal auch ohne Burdenkondensatoren zu
funktionieren!! Da laufen sie aber extrem instabil und können bei
Temperaturänderung und dadurch geänderter Durchlaufverzögerung einfach
plötzlich ausgehen.
Das Anlaufen des Oszillators geschieht praktisch immer, da nicht nur das
Hochfahren der Versorgungsspanung als Start-Kick funktioniert, sondern
auch das Eigenrauschen des Inverters. Wichtig ist nur, daß bei der
Resonanzfrequenz die Phasendrehung 360° und die Schleifenverstärkung >1
ist.
Kai Klaas
Kai Klaas schrieb:> Man bedenke, daß die Rückkkopplung nicht unbedingt eine Verstärkung> liefern muß. Das tut in der Regel der Inverter. Außerdem ist zu> bedenken, daß langsame Inverter durch die Durchlaufverzögerung> Phasendrehungen von etwas mehr als 180° aufweisen können. Deswegen> scheinen Pierce-Oszillatoren manchmal auch ohne Burdenkondensatoren zu> funktionieren!! Da laufen sie aber extrem instabil und können bei> Temperaturänderung und dadurch geänderter Durchlaufverzögerung einfach> plötzlich ausgehen.
Danke Kai!
Hier noch etwas Literatur für den Interessierten:
http://gaia.ecs.csus.edu/~bist/pll_team_docs/papers.htmlhttp://www.oliverbetz.de/quarz/quarz.htm und das "Quarz-Kochbuch"
von Bernd Neubig, welches man mittlerweile frei im Netz findet:
http://www.qsl.net/dk1ag/
"Das ist im Zweifelsfalle der Einschaltimpuls. Der führt zu einer
gedämpften Schwingung im Quarz (der ja nicht nur filtert, sondern
eben -- wie beispielsweise ein Pendel -- dabei auch Energie
aufnimmt, die er danach abgegen kann). Diese Schwingung wird vom
Oszillator verstärkt und dann vom Ausgang wieder auf den Quarz
gegeben."
Naja, ausserdem rauscht das System immer ein wenig ... und im Rauschen
ist auch immer ein wenig von der Resonanzfrequenz drin...
Hallo zusammen,
dank dieses Threads habe ich jetzt verstanden, wie ein Schwingquarz
funktioniert. Es reicht also nicht der Quarz (also das Stück Mineral)
alleine, sondern man braucht eine Schaltung, die ein Phaseninvertiertes
Signal des Quarzes verstärkt und wieder auf den Quarz (also das Stück
Material) schickt, so dass sich das ganze aufschaukelt in der
Resonanzfrequenz des Quarzes.
Das passt auch schön zur echten Schaukel, dessen Resonanzfrequenz von
der Erdbeschleunigung und der Schaukellänge abhängt, aber das von einem
Menschen, der phaseninvertiert das Gewicht verlagert, am pendeln
gehalten wird.
Aber das passt leider nicht zu dem Bild im Anhang, das ich aus dem
AVR-Tutorial herauskopiert habe. Dort ist kein Verstärker oder Inverter
zu sehen. Nur das Stück Mineral und zwei Kondensatoren. Wie soll das
schwingen?
Danke und VG
Karli
Guck mal in das Datenblatt.
Da sollte ein Inverter zwischen den beiden Anschlüssen eingezeichnet
sein.
Der macht die Phasendrehung, der Quarz die Verzögerung.
Zusammen gibt das eine Schwingung.
Mit freundlichen Grüßen,
Valentin Buck
Ach sooo!!! Die ganze Elektronik ist im Mikrocontroller integriert, nur
die Anschlüsse zum Quarz (dem Stück Mineral) sind nach außen geführt!
Das erklärt natürlich einiges!
Danke!!!!!!
Karli schrieb:> Wie soll das> schwingen?
Hallo Karli,
der Tipp wurde schon genannt. Gib mal unter Google "datasheet atmega"
ein und wähle eines der Datenblätter. Erstens findest du dann ein
Blockdiagramm des internen Aufbaues und zweitens eine entsprechende
Beschreibung.
Gruß
HF-Papst
Habe gerade dieses Doc hier gefunden:
http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf
Auf Seite 3 sieht man ein Blockschaltbild des Atmega32. Der Quarz ist
hier an einem Oszillator angeschlossen. Für mich als Halblaie ist aber
nicht erkennbar (höchstens erahnbar) , ob in dem Oszillator ein
Invertierender Verstärker enthalten ist. Aber das muss ja dann wohl so
sein.
Jetzt weiß ich ja Bescheid. :)
Ein LC-Schwingkreis schwingt auch nicht von selbst. Erst eine passend
damit verbundene Oszillatorschaltung ergibt einen LC-Generator.
Der Verstärker der Oszillatorschaltung ist im Kontroller und über X1 und
X2 zugänglich, die Kondensatoren C1 und C2 werden meist außen
zugeschaltet, so wie auch der Quarz.
Karli schrieb:> ob in dem Oszillator ein> Invertierender Verstärker enthalten ist. Aber das muss ja dann wohl so> sein.
Das steht weiter unten im Text, einfach mal das PDF-Dokument nach
"oscillator" durchsuchen. Gut, etwas Englisch muss man schon können,
aber die Bezeichnung ist offensichtlich :-)
Gruß
HF-Papst
@ Karli
http://de.wikipedia.org/wiki/Quarzoszillator
Etwas runter scrollen dann siehst du ein Bild mit der "Pierce-Schaltung
mit Logikgattern".
Die zwei Widerstände und zwei Inverter sind also schon im AVR
integriert.
und wo liegt dann der Unterschied zwischen einem Quarz und einem
Oszilator!?
Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe ist das Quarz eben nur der
Kristall, d.h. mein µC benötigt noch den Inverter intern.
Ein Oszilator dagegen ist dann ein Quarz mit "kompletter" Beschaltung
sodass ich den Takt auch bereits ohne µC am Oszi messen kann?
faustian schrieb:> "Das ist im Zweifelsfalle der Einschaltimpuls. Der führt zu einer> gedämpften Schwingung im Quarz (der ja nicht nur filtert, sondern> eben -- wie beispielsweise ein Pendel -- dabei auch Energie> aufnimmt, die er danach abgegen kann). Diese Schwingung wird vom> Oszillator verstärkt und dann vom Ausgang wieder auf den Quarz> gegeben.">> Naja, ausserdem rauscht das System immer ein wenig ... und im Rauschen> ist auch immer ein wenig von der Resonanzfrequenz drin...
Hier kommt es auf die Betriebsart des Verstärkers an, wenn er im
A-Betrieb läuft reicht tatsächlich das Rauschen aus, wenn er im
C-Betrieb läuft (selten, aber kommt durchaus vor, z.B. bei sehr
"einfachen" Quarzgesteuerten Sendern ohne getrennte Endstufe), braucht
es einen größeren Anstoß (so groß, dass das aktive Bauelement durch die
gedämpfte Schwingung zu leiten beginnt).
>Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe ist das Quarz eben nur der>Kristall, d.h. mein µC benötigt noch den Inverter intern.>Ein Oszilator dagegen ist dann ein Quarz mit "kompletter" Beschaltung>sodass ich den Takt auch bereits ohne µC am Oszi messen kann?
Genau so.
Gruß,
Christian
Georg Polzin schrieb:> ändert sich die Resonanzfrequenz, wenn der Schwingquarz erwärmt oder> gekühlt wird
Temperaturaenderungen aendern die Frequenz beim Quarz. Deshalb gibt es
ja auch Quarzofen.
