Wie genau sind Quarze?

ppm = parts per million.
Steht also +/- 10 ppm würde das heißen, daß der Quarz +/- 80 Hz 
Abweichung hat (Oder hab ich mich da verrechnet?).
Ich habe mal was davon gelesen, daß man Quarze mit Kondensatoren 
"stimmen" kann, so daß sie genauer werden - allerdings verläßt mich hier 
mein Wissen.

Würde mich auch interessieren.

Hallo Hammer,

die Resonanzfrequenz von Quarzen kann man durch variable Lastkapazität 
leicht verändern: Erhöhung der Kapazität verringert die Frequenz. An 
XTAL2 probiere 22pF und an XTAL1 (input vom AVR) einen Trimmer mit ca. 
10-40pF. Damit sollten sich exakt 8,00000 MHz einstellen lassen. 
Abhängig von Temperatur und Alterung des Quarzes und genauem Abgleich 
auf 1ppm, kannst Du einen rel. Fehler von 10ppm bei Raumtemperatur 
annehmen. Genauer und stabiler werden Oszillatoren erst mit geeigneten 
Quarzen und Temperaturkompensation.

Michael

Danke euch Beiden!

Michael; was verstehst du denn unter "geeigneten Quarzen" und wie 
funktioniert so eine Temperaturkompensation im Klartext?

ciao christian

Was für einen Takt benötigst du denn? - Wenn es für eine Uhr ist, dann 
benutze mal ein Uhrenquarz mit 32768Hz. Das ganze durch 15 teilst, so 
erhälst du einen Sekundentakt. Aber schau mal in die Datenblätter der 
AVR´s. Ich glaube in einem Stehts genauer drin.

Gruß, Florian

Es ist unsinnig einen Standardquarz, der einem Temperaturgang von +/- 
50ppm hat, auf 1Hz genau abzugleich. Für Referenzzwecke benutzt man sog. 
TCXO's.(Temperatur kompensierter Quarzoszillator)
Preisgünstige Typen müssen dennoch manuell auf z.B. 8.000.000Hz 
abgeglichen werden.
Zum Abgleich ist natürlich ein Frequenzzähler notwendig, der seinerseits 
eine hochgenaue Referenzfrequenz besitzt.

Norbert

Hallo Christian,

'geeignete' Quarze sind solche, die von Hause aus (durch ihren Schliff) 
so gefertigt sind, daß ihre Temperaturabhängigkeit und Alterung genau 
definiert sind. Die Temperaturdrift läßt sich dann durch externe 
Komponenten kompensieren, die eine entgegengerichtete Temperaturdrift 
aufweisen. Im einfachsten Fall (theoretisch) wäre dies ein 
entsprechender Lastkondensator.
Die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz entspricht etwa einer 
kubischen Parabel. Ein geeigneter Quarz für Raumtemperatur hat die 
beiden Wendepunkte möglichst direkt nebeneinander (bei 20°), sodaß die 
Drift im Bereich 0°-40° nur wenige ppm im gesamten Bereich beträgt.
Packt man den gesamten Oszillator in einen Ofen (z.B. 70°), dann sollte 
der 'geeignete' Quarz seinen Wendepunkt bei der hohen Temperatur haben. 
Die Temperaturabhängigkeit wird dann deutlich geringer, aber es bleibt 
die Alterung. Dies nur als grober Hinweis.
Eine Möglichkeit, einen langzeitstabilen Takt zu erhalten, besteht 
darin, den Oszillator über eine PLL mit Kapazitätsdiode einer genauen 
Referenzfrequenz (z.B. DCF77 oder Rundfunksender) nachzuführen. Wieder 
ein Thema für sich.
Ein direkt am Prozessor betriebener Quarz hat eingeschränkte Qualität; 
besser ist ein separat aufgebauter Oszillator.

Wenn Du hohe Genauigkeit und Stabilität (< 1ppm) brauchst, wird es schon 
richtig teuer, da man fertige Module kaufen muß.

@Norbert. Ich weiß nicht, wie Du auf +/-50ppm kommst? Bei 1°? bei 100°?

Gruß Michael

@Michael:

Hast Du Dir noch nie das Datenblatt eines Standardquarzes angesehen?

@Norbert
Michael hat dies mit Sicherheit schon getan. Allerdings weiss man bei 
eigen Elektronik Versendern nie so richtig was man so bekommt. Dort 
steht dann einfach Quarz 8 MHz Sockel HC49U/S und nicht viel mehr. Wenn 
dort dann evtl. ein Datenblatt mit genaueren Angaben verfügbar ist, 
passt dieses meistens nicht zur gelieferten Ware. Im allgemeinen reichen 
die Toleranzen aber für den normalen Einsatz aus. Sonst sollte man sich 
einen Distributor/Händler suchen, der genau spezifierte Quarze liefert. 
Bei hochgenauen Referenzen sind ja auch entsprechen Messmittel zum 
Abgleich notwendig.

@Norbert:
Die Aussagkraft 'hat einen Temperaturgang von +/- 50ppm' ist gleich 
Null. Metallfilmwiderstände haben +/- 50ppm pro Grad. Das ist eine 
Aussage.
Es ist sehr wohl sinnvoll, ein Meßgerät, welches <10ppm in einem 
definierten Umfeld (z.B. Raumtemperatur) liefern soll, auf 1ppm 
abzugleichen; bei 8MHz sind 1ppm grob geschätzt 8Hz. Daß die Referenz 
entsprechend genau sein muß, ist selbstredend. Eine Sanduhr ist dafür 
folglich nicht geeignet.

Für jede Lösung eines Problems ist es immer notwendig, die 
Rahmenbedingungen festzulegen. Es hilft nicht, Ausnahmefälle zu 
konstruieren, die jegliche Lösung verhindern. Wenn im vorliegenden Fall 
sich die Umbebungstemperatur nur geringfügig ändert, liefert ein 
'normaler' Quarz ein gute Stabilität. Anderfalls muß entweder die 
Temperatur konstant gehalten werden, oder die Schaltung so aufgebaut 
werden, daß sie die Temperaturänderungen kompensiert. Für eine 
Kuckucksuhr, die immer im temperierten Zimmer läuft, brauche ich keinen 
Taktgeber, der -40° - 125° mit Drift <1ppm liefert !

@Christian:
Lege Deine Anforderungen bezüglich Genauigkeit fest. Zum Testen kann man 
Quarze mit dem Lötkolben und Kältespray 'kitzeln'; selbst ohne 
Datenblatt, bekommt man eine Einschätzung für die Stabilität der 
Schaltung.

Michael

@Michael:

>Die Aussagkraft 'hat einen Temperaturgang von +/- 50ppm' ist >gleich Null.

Natürlich ist diese Aussage unbrauchbar. Aber es lag dann an Dir,darauf 
hinzuweisen, dass diese Drift für den Betriebstemperaturbereich von z.B. 
-20 bis +70 GradC gilt. - So wie es die Definition in den Datenblättern 
hergibt.
Stattdessen stellst Du Dich unwissender als Du bist - schade.


>Es ist sehr wohl sinnvoll, ein Meßgerät, welches <10ppm in einem >definierten 
Umfeld (z.B. Raumtemperatur) liefern soll, auf 1ppm >abzugleichen; bei 8MHz sind 
1ppm grob geschätzt 8Hz. Daß die >Referenz entsprechend genau sein muß, ist 
selbstredend. Eine >Sanduhr ist dafür folglich nicht geeignet.

Den Abgleich auf 1ppm bei +/-50ppm Drift ist nach wie vor unsinnig. Dein 
Argument beinhaltet eine andere Betriebsbedingung, nämlich die 
Einschränkung der Umgebungstemperaturdrift.
Da bei jedem Anwender die Betriebsbedingungen anders sind, kann ein 
Datenblatt nicht Anwenderspezifisch sein, sondern muss Grenzwerte und 
einige typische Werte aufzeigen.




Preisgünstige Standardquarze haben z.B. folgende Angaben:
Frequenzgenauigkeit: +/-30ppm bei 25°C
Temperaturstabilität: +/-100ppm bei -20 bis +70°C

So,wie ich Christian verstanden habe, reichen Genauigkeit und Stabilität 
dieser Quarze nicht aus.

Die nächste Alternative ist ein TCXO (ca.22,-EUR, Farnell)mit:
Frequenzgenauigkeit: +/- 5ppm, und Trimmen auf 1ppm
Temperaturstabilität: +/- 2,5ppm bei 0-70°C

Die teuerste Alternative ist ein OCXO(Oven Kompensierter Quarz 
Oszillator).
Laborausführungen kosten ca. 500 EUR (Fa. Philips)
Bei Ofen-geheizten Quarzen sind folgende Nachteile zu beachten:
Sehr teuer, sehr grosses Volumen, in der Anheizphase(3-5min) sehr grosse 
Stromaufnahme(bis 1,5Amp.!)
Der Vorteil liegt jedoch in der sehr geringen Drift: ca. 10e-8

Gruß Norbert

@Norbert:
Lies bitte ganz oben noch einmal nach, dort habe ich meine PPMs auf 
Raumtemperatur bezogen !

Nehmen wir Deine Zahlenwerte und eine Drift von +/-100ppm im Bereich von 
-20° bis +70° an, so ergeben sich etwa 1,1ppm/° (100/90). Bei 
Raumtemperatur von 22° (+/-5°) ergibt sich eine Drift von +/-5,5ppm im 
Bereich 17°-27°. Folglich werde ich einen Abgleich auf 1ppm bei 22° 
vornehmen !
Zum Abgleich reicht es z.B. die Zeilenfrequenz eines Fernsehapparates 
15,6250kHz (oder 64,0000us) als Referenzsignal zu nehmen. Hier in Berlin 
liefert das Deutschlandradio-Berlin auf MW mit 855kHz auch ein sehr 
schön auswertbartes Signal; ein bißchen Antennendraht und ein 
abgestimmter LC-Kreis: fertig ist die hochgenaue Referenz !

Michael

Hallo,

Hier ein sehr Wertvoller Tipp :

Benutzte einen Quarz der um ein viellfaches höher schwingt als du 
brauchst !

Teile die Frequenz mit einem Binär-Zähler o.ä. runter.

Der Trick an der Sache :
Du teilst nicht nur die Frequenz herunter sondern auch die 
Fehlerabweichung !!!

Bespiel :

In einer "billigen" Uhr findet man häufig ein 32,768 Khz Quarz wieder. 
Dieser nehmen wir beispielweiser mal an hat eine Fehlerquote von 2ppm
Die Frequenz und die Fehlerquote wird jetzt durch 2 hoch 15 geteilt 
(32768).

Ergibt 1: 1 Hz mit 0,000061035ppm

Eine gute Uhr ist mit einem 4,194304Mhz Quarz ausgestattet und hat 
Beispielweiser auch ne Fehlerquote von 2ppm.
Hier wird die Frequenz und auch die Fehlerquote durch 2 hoch 22 
(4194304) geteilt.

Ergibt 2: 1 Hz mit 0,000000476ppm

Die 2.Uhr ist also wesentlich genauer !!!

Ich denke diese Methode reicht für eineige Anwendungen und ich hoffe ich 
konnte dir helfen.

<klugscheissen>
Um Himmels willen, teile bitte keine relativen Genauigkeiten in % oder 
ppm mit der absoluten Frequenz runter.
Mein kleiner Bruder meinte damals mal, dass wenn er sein Taschengeld 
nicht nur auf einem Sparbuch, sondern auf 2 Sparbuechern verteilt 
anlegt, kriegt er nicht nur einmal 2% Zinsen, sondern zwei mal 2% 
Zinsen. Das waeren dann seiner Rechnung zufolge 4% gewesen.
Es war jedenfalls fuer mich als grosser Bruder kein Leichtes ihm das 
wieder auszureden.
</klugscheissen>
Leider weiss ich auch keine andere Moeglichkeit,
die Genauigkeit zu erhoehen als mit Kondensatoren
abzugleichen (viel Handarbeit), und die Temperatur konstan zu halten 
(teuer).

Nach dem Buch Kohrausch, Praktische Physik, sind Quarze um 5 MHz am 
stabilsten/genauesten.
Man kann sich auch spezielle Quarze anfertigen lassen, aber die sind 
teuer; ebenso wie Spezial-Quarze die man nicht bei Versendern wie RS, 
Farnell oder Conrad kaufen kann. Die Daten findet man bei denen online 
und Standard-Quarze haben meist um 50 ppm.

Danke für die vielen Tips!

5Mhz sind leider zu langsam. Großartig manuell abgleichen kann ich auch 
nicht, weil ich die Schaltung eventuell in größeren Stückzahlen bauen 
will (50+), und da habe ich keine Lust/Zeit jeden Quarz hinzujustieren. 
Irgendwelche Laborausführungen mit Aufwärmphase, 500E Preis und 
entsprechenden Ausmaßen kommen sowieso nicht in die Tüte. Und obwohl die 
Idee von Chris's Bruder Finanztechnisch nicht sonderlich schlau ist, 
hört sich die Geschichte mit dem Frequenzteilen für mich eigentlich ganz 
schlüssig an. Vielleicht bekomme ich ja irgendwo einen 80Mhz Quarz mit 
15ppm Frequenzabweichung, den ich dann entsprechend runterteilen kann... 
hach, die reale Welt ist für einen Informatiker schon ungenau genug, 
wieso müssen diese Quarze mich jetzt so fertig machen? ;)

ciao christian

Wenn es genau sein muss braucht man sowieso einen DCF77-Empfänger o. ä. 
denn schon 10 ppm bedeuten pro Jahr eine Abweichung von über 5 Minuten, 
denn ein Jahr hat etwas mehr als 31 Millonen Sekunden, so dass bei einem 
Jahr 10 ppm schon über 310 Minuten, also über 5 Minuten sind!

Ausserdem muss man bei den ppm-Angaben unterscheiden zwischen den 
dynamischen Abweichungen, also Phasenrauschen (gitter) und 
systematischen, also Differenz Nennfrequenz - tatsächliche Frequenz bei 
Normalbedingungen (25  °C, 1013,25 hPa ...). Hinzu kommen noch 
Schwankungen durch Temperaturschwankungen, Spannungsschwankungen, 
Alterung des Oszillators und des Quarzes usw.

Weniger als 1 ppm ist für eine Quarzuhr deshalb unrealistisch!

@hammer_c
Wenn deine Software genau so arbeit ja dann ???
Durch Frequenzteilung mindert sich nicht die prozentuale Abweichung. Die 
gemessene Frequenz in deinem ersten Posting kann für mich nur folgende 
Ursachen haben:
a) Der Quarz wurde nicht mit der spezifizierten Lastkapazität betrieben.
b) Wie genau ist dein Messgerät ?
c) Billigware aus der Grabbelkiste
Mit normalen preiswerten Quarzen so um die 1 Euro lassen sich heute 
Oszillatoren realiseren die 50 ppm oder 0,00005% von der Sollfrequenz 
abweichen. Dies schliesst Fertigungstoleranz und Temperaturdrift über 
den gesamten Betriebsbereich ein. Für ein paar Cent mehr lässt sich die 
Genauigkeit noch mal verdoppeln.
Vielleicht hilft dir ja bei der Auswahl auch der folgende Link weiter:
http://www.epson-electronics.de/EEG/QD/publicFiles/TQ012-38.pdf
Welche Genauigkeit benötigst du überhaupt ?

Was soll man einem Pianisten raten, der sich keinen Klavierstimmer 
leisten kann/will, noch Lust und Zeit hat, sein Instrument selber zu 
stimmen? Soll man ihn auf eine Tournee mit 50 Konzerten schicken ?

Sehr poetisch! :) Müßte aber eher heißen: "Soll man ihm zumuten, auf 
allen 50 Konzerten sein Klavier selber neu zu stimmen?" :) ...

na wie dem auch sei; habe errechnet, daß ich im besten Fall eine 
Frequenz-Genaugigkeit von 0,01 - 8 ppm bei 8Mhz benötige. Und das kann 
ich mir mit Standard-Quarzen ohne irgendwelches manuelles nachjustieren 
wohl abschminken. Es geht übrigens um keine Uhr, sondern um eine Art 
Midi-Sequenzer, der als Master Midi-Clock-Signale verschicken soll. Die 
BPM sollten möglichst auf 2 Nachkommastellen genau eingestellt werden 
können. Aber selbst meine Akai MPC, die ja so einen guten Ruf ihres 
Timings wegen hat, spielt 120.00BPM mit 119.96BPM, also was solls... da 
kann ich wohl nur zusehen, daß ich einen möglichst genauen Quarz bekomme 
(15ppm bei 8Mhz ist ja anscheinend erhältlich) und den Rest dem Zufall 
und der Physik überlassen! :) Außerdem wirkt es auf den Anwender 
natürlich immer ziemlich exakt, wenn er Tempi mit 2 Nachkommastellen 
einstellen kann. Ob's die Kiste dann auch wirklich sauber macht, weiß ja 
keiner ;)

ciao Christian

@michael
Du hast wohl die digitale Welt noch nicht richtig verstanden. Hier würde 
es schon ein per Poti abgleichbarer R/C Oszillator wesentlich genauer 
arbeiten als es jedes manuelle Stimmen eines mechanischen Klaviers 
mittels Gehör jemals sein kann. Es werden ja alle Töne aus einem 
zentralen Takt abgeleitet, daher auch nur ein zentraler Abgleichpunkt 
(Stimmgabel) und der Rest stimmt. Wenn ich nun einen Quarzoszillator 
nehme, bei dem die Summe aller Abweichungen 100ppm beträgt liegt der 
Fehler bei 440 Hz lediglich bei +- 0,044 Hz.
@hammer_c
Ich würde einen normalen Quarz bzw. Quarzoszillator in normaler 
Industriequalität wahlen und evtl. einen DCF77 Empfänger zur 
zusätzlichen Synchronisation in das Gerätekonzept integrieren. Dies 
dürfte die preiswerteste Lösung sein und zudem noch erheblich genauer 
als viele professionelle Geräte.

Die Angabe der PPM bezieht sich auf die Nennfrequenz des Quarzes und mit 
dieser soll er ja auch schwingen.

Wenn zum Beispiel ein Quarz mit 4Mhz 5ppm dann liegt der Fehler bei 20Hz 
auf 4Mhz. Und diese 20Hz werden auch heruntergeteilt! Probiert es aus !

Bei dem DCF77-Empfänger hat man zwar Synchronisierung und keine 
Langzeit-Drift, aber der reduziert nicht das Phasenrauschen sondern 
erhöht es durch die Synchronisation sogar! Ob man das merkt, hängt 
natürlich von der Anwendung ab.
Bei den Quarz-Herstellen müsste man Werte zu Pasenrauschen usw. finden.

@nobodyo
Schau dir mal die Anwendung an. Normales Midi-Protokol l mit Sync-Byte 
und evtl. zusätzlicher Time-Code-Synchronisation. Wenn ich so an die 
Fehler denke, die durch leicht differierende Interrupt-Latenzzeiten und 
ähnliches hinzu kommen. So ist schon eine periodische Synchronisation 
via DCF77 absolutes HighTech. Normalerweise reicht jeder Standard-Quarz 
bei weitem aus.

@Mikki: Daß ich einiges nicht verstanden habe, glaube ich auch immer 
mehr. Aber unterschätze die Musiker nicht: ein geschultes Gehör 
unterscheidet sehr genau zwischen 'fisis' und 'g'.

@Christian: Die Änderung um 1/100tel bei 120,00 bpm macht 83ppm aus. Ich 
verstehe Dein Problem nicht.

Wenn´s nur um Töne geht ist DCF77 völlig überflüssig bis 
kontraproduktiv, denn ob ein Gerät in einem Monat eine Periode (1 ms bei 
1 kHz) mehr oder weniger produziert hört keiner; da ist eher geringes 
Phasenrauschen wichtig.

@michael: Ich bezweifele stark ob du unterscheiden kannst ob ein a bei 
440 Hz oder 440,044 Hz liegt, denn das Frequenzverhältnis der Töne 
untereinander stimmt ja in jedem Falle zu 100%. Aber die Tonerzeugung 
war ja auch eigentlich nicht das Thema, sondern die Steuerung solcher.
@nobody0: DCF77 ist zwar Luxus, macht aber bei Midi-Steuerung durchaus 
Sinn. Da ich ja Midi nicht nur zur Steuerung von Klangerzeugern sondern 
auch für andere Zwecke nutzen kann (z.B. Midi-Show-Control). Ist sind ja 
auch Befehle wie Sync und Übertragung von Time-Code Informationen 
definiert. Bei mehreren unabhängigen Midi-Kreisen mit eigenem Master, 
sind diese via DCF77 auch über längere Zeiträume einfach 
synchronisierbar.

Quarze kein PLAN !!!!!!!!!

Dann lies das wenn du kein Plan hast

http://www.axtal.com/info/buch.html

P.S: Der Thread ist 5 Jahre alt (also eher keine Brille als kein Plan)


Grüße

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