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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Lastkapazität eines Quarzoszillators niedriger als erwartet?


Autor: Jens S. (sinnach)
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Hallo,

ich steh grad irgendwie aufm Schlauch. Ich hab nen Quarzoszillator in 
Colpitts-Kollektorschaltung vorliegen. Funktioniert auch wunderbar, nur 
versteh ich absolut net wie die Lastkapazität zustande kommt. Laut 
Datenblatt von Reichelt für den verwendeten Standard Quarz in HC-18 
Bauform liegt die Lastkapazität bei 32pF. Als ich dann jedoch mithilfe 
eines Frequenzzählers(1s Messzeit) die Kapazitätswerte so angepasst 
habe, dass ich 16,00000MHz stehen hatte war ich überrascht wie klein die 
Werte sind. Der Trimmkondensator ist fast gar net genutzt und hat in 
seiner jetzigen Einstellung vllt 5pF. Wenn ich die Kapazitätsdiode 
vernachlässige (macht nen unterschied von vllt 1pF der Lastkapazität) 
komm ich auf einen Wert von C_L=(1/C30 + 1/31 + 1/CT) = ~14pF. CT 
beinhaltet C TRIMM1, C38 und C37. Das is ja mal deutlich unter dem Wert 
der Herstellerangabe. Bei der Schaltung eines OCXO vom ELVJournal siehts 
ähnlich aus 
(http://www.elv-downloads.de/service/manuals/OCXO40...)

Kann mir das einer erklären? Ist die Herstellerangabe viel zu hoch? In 
einer alten Version bei der ich zwischen 18pF und 25pF Lastkapazität 
lag, hab ich 15,997MHz gemessen.

Autor: Peter R. (pnu)
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Das kann daran liegen, dass Du einen Quarz erwischt hast, der:

-innerhalb der Fertigungstoleranz so etwa an der Grenze richtung tief 
liegt.
-der gerade eine Temperatur hat, die eine Frequenzabweichung nach 
tieferer Frequenz erzeugt.

Beide Abweichungen werden durch Ändern des Last-C ausgeglichen. Da der 
Quarz eine zu niedrige Ist-Frequenz hat, muss er durch entsprechend 
kleineres C "gezogen" werden. Hier ist möglicherweise der volle 
Ziehbereich ausgenutzt.
Das Last-C ist ja nur ein Sollwert, der dann die Nennfrequenz ergibt, 
wenn der Quarz selbst gerade exakte Frequenz hat.

Ach: hast Du auch die Streukapazitäten der Leiterbahnen berücksichtigt? 
Da kommen schnell zehn pF zusammen.

Autor: Jens S. (sinnach)
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Also das mit den Streu kapazitäten wirds wohl sein, ich kam vorhin mal 
auf die kuriose idee zwischen den Quarzbeinchen die Kapazität mit meinem 
Digitalmultimeter zu messen. Das Resultat lag bei erstaunlichen 32-34pF 
is jetzt net sonderlich genau, aber der Wert kommt hin. Die 
Streukapazitäten werden dann bestimmt noch durch die ein oder andern 
wiederholten Lötungen begünstigt werden. Nja durch die GND Planes und 
den Leiterbahnen kommt da bestimmt was zusammen. Danke dir! Hatte mich 
bis jetzt komplett auf die Bauteile fixiert.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Du vergißt da ein paar Kapazitäten. Einmal das, was eventuell noch an 
der Kathode der Kapazitätsdiode liegt, die Shunt-Kapazität zwischen den 
Quarzanschlüssen von bis zu rund 7pF, bei Verwendung einer Quarz-Fassung 
sogar deutlich mehr, Streukapazitäten des Aufbaus und natürlich die 
Transistorkapazitäten.

Außerdem darfst du den Angaben der meisten Versandhändler über die 
Lastkapazitäten ihrer Quarze meiner Meinung nach sowieso nicht trauen, 
die sind meistens falsch. Es gibt keine Standardlastkapazität für einen 
Quarz. Das ist ja nur der Wert, für den die aufgedruckte Frequenz 
stimmt. Die Lastkapazitäten bestimmt gewöhnlich der Kunde, in dem er 
Quarze aus einer großen Palette verschiedenster Lastkapazitäten 
auswählen kann. So steht es auch in fast jedem Datenblatt.

Was der Hersteller letztendlich einem Versandhändler liefert, variiert 
gewöhnlich hinsichtlich der Lastkapazität. Da bekommt der Versandhändler 
oft einfach das, was der Hersteller so gerade auf Lager hat. Nur wenige 
Versandhändler nehmen das sehr genau. Wenn du auf Nummer Sicher gehen 
willst, mußt du bei Jauch, Auris, etc. direkt bestellen.

>Das Resultat lag bei erstaunlichen 32-34pF is jetzt net sonderlich
>genau, aber der Wert kommt hin.

Naja, wenn es nicht sonderlich genau ist, kannst du die Messung eh 
vergessen. Und, nein, sie ist nicht genau, weil bei der Messung mit dem 
DVM die Transistoren völlig anders gebiased werden, als im regulären 
Betrieb.

Kai Klaas

Autor: Peter R. (pnu)
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>Das Resultat lag bei 32-34pF ... ist jetzt aber nicht sonderlich genau.

Bei einem Quarz, der bei 30 pF Nennkapazität abgeglichen ist, darf die 
Frequenz in einem Toleranzfenster von z.B. plusminus 30 ppm liegen. 
Alleine um diese Fertigungstoleranz auszugleichen, muss das C-last in 
der Schaltung um plusminus zehn pF verstellt werden. Dein Quarz ist 
anscheinend ein sehr genau hergestelltes Exemplar.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Bei einem Quarz, der bei 30 pF Nennkapazität abgeglichen ist, darf die
>Frequenz in einem Toleranzfenster von z.B. plusminus 30 ppm liegen.
>Alleine um diese Fertigungstoleranz auszugleichen, muss das C-last in
>der Schaltung um plusminus zehn pF verstellt werden.

Eine Simulation bestätigt deine Aussage: Wird ein Burdencap um +/-10pF 
verändert, ändert sich die Schwingfrequenz um rund +/-30ppm.

Kai Klaas

Autor: Jens S. (sinnach)
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Ich meld mich auch mal wieder zu Wort.

Also zunächst mal handelt es sich beim Quarz um einen Standard Quarz von 
reichelt. Weiterhin beinhaltet die oben genannte Messung natürlich 
ebenso die Shunt Kapazität des Quarzbauelementes von ca. 6pf. Die 
statische Kapazität liegt also dementsprechend niedriger. Die 
Varaktodiode wurde in der Betrachtung ausgeschlossen, weil es mir um 
diese Große Abweichung ging, mithilfe der Varaktodiode kann ich die 
Frequenz in einem Bereich von 20ppm einstellen. Die 
Transistoreingangskapazitäten  hatte ich ebenfalls mal berechnet, die 
liegen laut Datenblatt bei einigen pF. Aufgrund der "Reihenschaltung" 
der Basis-Emitter Strecken sollte sich deren Kapazität meiner ansicht 
nach halbieren(bei gleichem wert). Durch ihre Parallele Schaltung zu c30 
mit 100pf sollte sich ihr Einfluss auf die Gesamtschaltung denkbar klein 
halten, oder?


PS: danke für die Antworten!

Autor: Bernhard R. (barnyhh)
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Welche Genauigkeit besitzt eigentlich der Frequenzzähler und wann wurde 
er das letzte Mal kalibriert?

Jens, Du bewegst Dich im Bereich der analogen Schaltungstechnik. Hier 
sind - im Gegensatz zur Digitaltechnik - Temperaturdrift, Alterung von 
Bauteilewerten, ... zu berücksichtigen.

Was erwartest Du eigentlich?
Diese Schaltung ist einige Jahrzehnte alt (so ca. 40 Jahre und bereits 
damals von Röhrenschaltungen aus den 1930er Jahren "abgekupfert").

Bernhard

Autor: Jens S. (sinnach)
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Das ich mich hier in der analogen Technik bewege ist mir schon bewusst. 
Und das das ganze manchmal an Magie grenzt sowieso ^^
Nun habe ich mich natürlich auch mit den Themen Alterung und 
Temperaturabhängigkeit auseinander gesetzt, die entsprechende Schaltung 
wird ebenfalls im Bereich des Wendepunktes beheizt um die 
Temperaturabhängigkeit zu minimieren. Das Ganze Teil soll im nachinein 
genauer als ein ppm werden, was jetzt rein von der Einstellbarkeit schon 
möglich ist. Was die Alterung angeht muss ich mich später mal mit den 
Fitting Kurven zur Vohersage der Alterung auseinandersetzen. Bei meinem 
Frequenzzähler bekomme bei 1s Gatezeit eine Herzgenaue Angabe, geeicht 
wurde der mal 1990, sollte mal wiederholt werden...

Was jetzt die Abweichung mit 30ppm angeht, so lieg ich durch Rechnung 
auf Basis von C0 mit 6pf und C1 mit 12fF, sowie eine Lastfrequenz von 
16MHz für den gegebenen Toleranzbereich von 30ppm auf ~6pf Abweichung 
bei 32pf Last. Kommt also auch hin.

Autor: Peter R. (pnu)
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Im Moment ist mir Deine Fragestellung nicht mehr so klar, aber eine 
Bemerkung zur scheinbaren Lage des C am unteren Rande des möglichen 
Bereichs.

Wenn der Quarz temperiert ist ( so bei 70 Grad), liegt seine Frequenz im 
Minimum der Temperaturkurve.
Man muss ihn bei 70 Grad durch Verkleinern der Lastkapazität "aufwärts" 
ziehen, damit er die Sollfrequenz erreicht.

Dass dann die Kapazität kleiner ist als die dreißig pF ist also ganz 
klar.

Wenn es sich dann noch zusätzlich um einen Quarz handelt, der am unteren 
Rande der Fertigungstoleranz liegt, muss man die Kapazität weiter 
verkleinern.

Der von Dir festgestellte Kapazitätswert ist also völlig im Rahmen des 
zu Erwartenden bzw. so schlimm wie es bei Ausgleich der Temperaturablage 
UND Fertigungstoleranz werden kann, ist es ja garnicht.

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