Hallo ihr!
Ich möchte gerne eine Oszillatorschaltung bauen mit einem 40 kHz Quarz
(S40000 - PROWAVE).
Verwenden möchte ich gerne dabei die Colpitts-Oszillator-Schaltung.
Nun habe ich es diese Schaltung mal in PSpice aufgebaut. Jedoch habe ich
hier schon das erste Problem:
Ich weiß nicht wie ich den Quarz als passives LRC fuer 40 kHz
dimensionieren muss?!
Das Zweite Problem ist, ich weiß nicht wie ich die Wiederstände
dimensionieren muss, damit der Schwingkreis anfängt zu schwingen.
Die Schaltung die ich im Anhang habe ist zwar nicht für 40 kHz,
funktioniert aber, wenn ich als Spannungsquelle nur einen kurzen Impus
darauf gebe.
Sobald ich diese jedoch durch eine DC-Spannungsquelle ersetze, fängt die
Schaltung an nicht zu Schwingen.
Könntet ihr mir bitte helfen?
Vielen Dank im voraus,
Philipp
Philipp Groß schrieb:> Sobald ich diese jedoch durch eine DC-Spannungsquelle ersetze, fängt die> Schaltung an nicht zu Schwingen.
Tippfehler?
Wie soll es auch anfangen zu schwingen bei DC. Die Spule wirkt in diesem
Fall wie ein normales Stück Draht und der Kondensator lädt sich einmal
auf und fertig.
Oder habe ich da bei Schwingkreisen etwas falsch verstanden.
Die Schaltung habe ich aus dem Kochbuch für Oszillatoren genommen. (Im
Anhang)
The Crystal Cookbook (in German)
Bernd Neubig & Wolfgang Briese
Feldkirchen: Franzis-Verlag, 1997
ISBN 3-7723-5853-5
Das Problem bei meinem Quarz ist, im Datenblatt steht nicht welche Güte
es hat.
Ich kenne jedoch
...die Größe des Shuntkondensators Co = 2,3 pF
...R1 bzw Rs = 35 kOhm
...die Load-Capacitance CL = 12,5 pF
Damit kann ich mir zumindest schonmal den Lastwiderstand ausrechnen
mit Rl = R1 * (1+Co / Cl)^2
L = (Q*Rs)/(2pi*fs)
Cs = 1/ (2*pi*fs*Q*Rs)
Q = 1/ (2*pi*fs*R1*C1)
Jedoch habe ich weder Q noch C1 und kann somit nicht L und Cs
bestimmen...
Ich denke mal L muss ziemlich groß sein, da normalerweise ja die Güte
sehr hoch ist... Aber ich weiß nicht genau wie hoch...
Aber das ist ja im Grunde auch nicht so wichtig, da der Quarz schon
logischerweise komplett ist...
Aber auch wenn ich meinen Lastwiderstand RL = 50000 setze, schwingt
meine Schatlung nicht.
Oder muss ich wirklich einen Impuls erzeugen, damit das anfängt zu
schwingen? Und wenn ja, mit welcher Impulsdauer und welcher Amplitude?
Aber laut Buch, müsste es auch so funktionieren?!
Daß Oszillatoren nicht (an)schwingen in der Simulation ist nichts
ungewöhnliches. Es gibt Tricks wie eine Transiente auf die
Betriebsspannung zu setzen. Oder einen Anfangswert weit von normal
setzen.
Wenn du ein Buch zu deinem Simulationstool hast, sollte das drinstehen.
XL
Hallo.
Wenn Du dir den Artikel [6.3.1 Colpitts-Oszillator und
Clapp-Guriett-Oszillator] RICHTIG durchliest bez. bearbeitest, findest
Du die Lösung deines "Problemes" ! Falls nicht, hier die Gemeinde noch
einmal ansprechen.
Beste Grüße.
Du mußt bei diesen Oszillator ein Netzteil nehmen das "hart"
einschaltet. Bei einen "Sanftanlauf" schwingt der Oszillator tatsächlich
nicht an... .
Grüße Löti
Die Werte deines Quarzes (L,C) in deiner Simulation ergeben
f = 1/(2*pi*sqrt(L*C))
f = 8841941,3Hz
Außerdem betreibt man diese kleinen 32kHz oder 40kHz Schwinger nur mit
kleinen Betriebsspannungen da diese nicht viel Leistung vertragen.
In der Realität wäre es so:
Oszillator schwingt nur mit einem Spannungsimpuls an: Güte grenzwertig
Normalerweise würde der Oszillator bei richtiger Auslegung von alleine
nur durch thermisches Rauschen der Komponenten anschwingen.
Die Anschwingzeit ist auch ein Maß für die Güte. Bei so einem Quarz
dürfen es gerne 100ms sein. Ein MHz-Quarz schwingt nach einigen 100us
stabil.
Alles andere ist verdächtig.
> Normalerweise würde der Oszillator bei richtiger Auslegung von alleine> nur durch thermisches Rauschen der Komponenten anschwingen.
Tut der Oszillator einer 1,5V Uhr definitiv nicht, der startet durch
einlegen der Batterie (= hartes Einschalten).
Wenn ich meine Solaruhr in der Sonne vergesse und sie zu heiß wird
bleibt der Oszillator stehen und es dauert mehrere Tage bis zu Wochen
bis sie wieder loslegt, trotz 3,6V Akku.
Grüße Löti
Ich habe es genau erklärt und bleibe bei meiner Meinung. Meine Kompetenz
kenne ich, auch deren Grenzen, und im Allgemeinen wird sie durch
Peer-Review geprüft :-)
Erstmal vielen Dank für die zahlreichen Rückmeldungen.
Helmut S. schrieb:> Hier mal ein leicht modifiziertes Beispiel das ich für die LTspice Yahoo> group gemacht habe.
Ich habe nun mal die Schaltung von Helmut S. in pSpice nachgebaut...
Jedoch immer noch ohne Erfolg. Ich muss jedoch auch dazu sagen, dass ich
pSpice-Neuling bin und nicht weiß wie und wo ich die Commands wie .ic,
.trans usw. einstellen kann..?!
hinz schrieb:> Philipp Groß schrieb:>> Jedoch habe ich weder Q>> Du darfst von 35000 ausgehen.
Ich habe auch hinz sein Rat befolgt und bin von Q=35000 ausgegnagen und
habe somit eine L = 4874.12 H und Cs = 3.25fF berechnet und diese in
meine erste Schatlung eingetragen, auch hier kein Erfolg.
Physiker schrieb:> Hallo.> Wenn Du dir den Artikel [6.3.1 Colpitts-Oszillator und> Clapp-Guriett-Oszillator] RICHTIG durchliest bez. bearbeitest, findest> Du die Lösung deines "Problemes" ! Falls nicht, hier die Gemeinde noch> einmal ansprechen.> Beste Grüße.
Ich habe es mir noch mal durchgelesen, komme aber auf keinen grünen
Zweig... Könntest du mir bitte nochmal behilflich sein?
Ich mach nun schon über einen Tag an dieser Schaltung rum und bekomme
sie einfach nicht zu laufen... Echt depremierend :-/
Philipp Groß schrieb:> Ich mach nun schon über einen Tag an dieser Schaltung rum und bekomme> sie einfach nicht zu laufen... Echt depremierend :-/
ich nutz den ungepufferten cd4069 für den quarzoszillator.
ein inverter als oszillator den rest als treiber.
die beschaltung vom quarzoszillator siehe cd4060.
Was das Anschwingen angeht: In SPICE gibt es normalerweise kein Rauschen
in der TRAN-Analyse. Du kannst aber die Versorgungsspannung rampen. Da
in der Schaltung Nichtlinearitäten vorhanden sind, wird sie anschwingen.
Vorausgesetzt, sie ist systematisch richtig und die Grundkriterien für
Oszillatoren sind erfüllt, also Schleifenverstärkung und Phasenbeziehung
ok.
Abdul K. schrieb:> Hier zwei Texte. Mit PSPICE kenne ich mich nicht aus. In LTspice> schreibt man z.B. ".tran" einfach als SPICE-Syntax in die Zeichnung.
Dankeschön :) Aber die sind auch wieder für Frequenzen im MHz-Bereich
:-/
Abdul K. schrieb:> Du kannst aber die Versorgungsspannung rampen.
Wie geht das denn in Pspice?
Philipp Groß schrieb:> Ich habe auch hinz sein Rat befolgt und bin von Q=35000 ausgegnagen und> habe somit eine L = 4874.12 H und Cs = 3.25fF berechnet und diese in> meine erste Schatlung eingetragen, auch hier kein Erfolg.
Ein L von 4874 H ist nicht realisierbar, da solltest du dein C größer
wählen.
z.B.
C = 100nF --> L=158uH oder sowas in der Art
Schalte doch einfach mal eine Vpwl parallel zu deiner Batterie und gib
damit einen kurzen Puls auf die Schaltung damit der Oszillator
losstartet.
blablub schrieb:>> Ich habe auch hinz sein Rat befolgt und bin von Q=35000 ausgegnagen und>> habe somit eine L = 4874.12 H und Cs = 3.25fF berechnet und diese in>> meine erste Schatlung eingetragen, auch hier kein Erfolg.>> Ein L von 4874 H ist nicht realisierbar, da solltest du dein C größer> wählen.
Häh? In einer Simulation ist alles möglich. Und ja, überschlagsmäßig
passen 5000H und und 3fF für einen 40kHz Quarz.
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingquarz#Ersatzschaltung_und_elektrisches_Verhalten
XL
>Häh? In einer Simulation ist alles möglich. Und ja, überschlagsmäßig>passen 5000H und und 3fF für einen 40kHz Quarz.
Er verliert sich halt nicht im Simulationswahn sondern schielt mit einem
Auge auch auf die Umsetzbarkeit später und so große Spulen...
Gruß Jonas
In den Simulation Settings einfach mal "Skip the Initial bias Point
calculation" ankreuzen. Dann startete die Schaltung nicht aus einem
vorberechneten Arbeitspunkt heraus, sondern muss sich erst
"einschwingen".
Die Schaltung von Philipp hat einfach das Problem, dass sei nur in einem
sehr engen Fenster bezüglich der Beschaltung (Wahl der Widerstände) bei
40kHz schwingen wird.
Deshalb verwendet Hinz und Kunz die Inverterschaltung die relativ
unkritisch diemnsioniert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass
jemand einen 40kHz Quarzoszillator in Kollektorschaltung benutzt ist
1:1000000 gegenüber der Inverteschaltung. Warum zum Teufel eine für
40kHz ungeeignete Schaltung nehmen. OK, man lernt dabei wie man es nicht
machens soll. Vielleicht mach ich heute Abend zuhause trotzdem mal ein
Beispiel mit seiner Kollektorschaltung. Natürlich in LTspice.
jibi schrieb:>>Häh? In einer Simulation ist alles möglich. Und ja, überschlagsmäßig>>passen 5000H und und 3fF für einen 40kHz Quarz.>> Er verliert sich halt nicht im Simulationswahn sondern schielt mit einem> Auge auch auf die Umsetzbarkeit später und so große Spulen...
Mein Güte, wie dämlich kann man sein? Diese Spule ist aus dem
Ersatzschaltbild für den Quarz.
XL
Hier jetzt der für 40kHz nicht empfohlene Quarz-Oszillator.
Das Ganze natürlich mit LTspice. Das kann Philipp jetzt nach PSPICE
umsetzen.
Tipp: Oszillatoren hoher Güte schwingen nicht, wenn man die
"solver"-Methode Gear wählt.
Im Setting von PSPICE steht solver-Methode "default" was immer das auch
ist. Eventuell muss man in PSPICE direkt "trapezoidal wählen.
In LTspice nimmt man immer "trap" und das ist eigentlich schon per
Default eingestellt.
Helmut S. schrieb:> Oszillatoren hoher Güte schwingen nicht, wenn man die> "solver"-Methode Gear wählt.> Im Setting von PSPICE steht solver-Methode "default" was immer das auch> ist. Eventuell muss man in PSPICE direkt "trapezoidal wählen.> In LTspice nimmt man immer "trap"
Es ist genau diese Art von "Spezialwissen" das mich immer wieder am
Nutzwert von Simulationen zweifeln läßt. Ich zweifle nicht, daß man mit
Simulationen interessante Dinge herausfinden kann. Aber blöderweise
immer nur, wenn man vorher schon weiß wonach man suchen muß.
XL
> ... immer nur, wenn man vorher schon weiß wonach man suchen muß.
Ich überlege mir immer ob das Simulationsergebnis meinen Erwartungen
entspricht. Wenn nicht, dann versuche ich herauszufinden ob es an der
Simulation liegt oder ob ich etwas falsch verstanden habe. Natürlich
hilft mir die Erfahrung da ich seit Jahrzehnten schon SPICE verwende.
Anfänger können das nicht herausfinden. Deshalb kommt dann dort als
erstes die Ansage "der Simulator hat einen bug".
WOW! Vielen vielen vielen herzlichen Dank!!!! - Echt SPITZE! :)
Helmut S. schrieb:> eshalb verwendet Hinz und Kunz die Inverterschaltung die relativ> unkritisch diemnsioniert werden kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass> jemand einen 40kHz Quarzoszillator in Kollektorschaltung benutzt ist> 1:1000000 gegenüber der Inverteschaltung. Warum zum Teufel eine für> 40kHz ungeeignete Schaltung nehmen.
Ist nur das Widerstandsverhältnis das Problem? Der Grund wieso ich die
Kollektorschaltung gewählt habe, war, dass ich eine sehr stabile
Frequenz von 40Khz mit einer Sinusschwingung benötige und ich
denke/dachte, dass für diesen Zweck diese Schaltung mit einem Quarz das
richtige sei. - Aber ich lass mich auch gerne belehren.
Wie würdet ihr dass den realisieren?
Das stabilste sind Quarze. Früher hat man genau bestimmte
Temperaturkompensation mit speziellen Keramiken der Kondis gemacht.
Und der CMOS-Inverter ist fast so gut wie die allerbesten
handgestrickten Bipolarversionen. Das wollen nur viele nicht hören.
> dass für diesen Zweck diese Schaltung mit einem Quarz das> richtige sei.
Wenn Du einen Sinus benötigst ist DAS DIE Schaltung.
Nur, auch mit 10Meg benötigt sie "ewig und drei Tage" zum
Anschwingen*... .
Grüße Löti
*1,5s sind immer noch besser als meine Solaruhr, die benötigt Tage bis
Wochen.
Hi,
Lothar S. schrieb:> Wenn Du einen Sinus benötigst ist DAS DIE Schaltung.> Nur, auch mit 10Meg benötigt sie "ewig und drei Tage" zum> Anschwingen*... .
also diese Schaltung erzeugt weder in der Simulation noch real einen
schönen Sinus.
Und die Dimensionierung widerspricht auch meinem elektronischen
Bauchgefühl. Ich hatte mal Probleme mit genau dieser Schaltung,
allerdings für höhere Frequenzen, da war der Basisspannungsteiler um 3
Zehnerpotenzen niedriger und musste zum sicheren Anschwingen noch weiter
verkleinert werden.
Ich sehe das Problem hier ist auch nicht im Simulationsprogramm, denn
ich glaube nicht, dass man ein Schwingquarz einfach mit
Kondensatorparametern modellieren kann.
Grüße
Man sollte den Kondensator auch in Reihe und nicht parallel schalten.
Und die Verstärkung muß zum Quarz passen. Aber ein guter Sinusoszillator
ist immer eine Kunst... .
Grüße Löti
Philipp Groß schrieb:> ... dass ich eine sehr stabile> Frequenz von 40Khz mit einer Sinusschwingung benötige und ich> denke/dachte, dass für diesen Zweck diese Schaltung mit einem Quarz das> richtige sei. - Aber ich lass mich auch gerne belehren.
Kannst du mal Butter bei die Fische tun? Was nennst du "sehr stabil"?
Geforderte Anfangsgenauigkeit? Kurzzeitstabilität (Jitter)?
Langszeitstabilität (Alterung)? Temperaturstabilität?
Und apropos "Sinusschwingung"? Welcher Klirrfaktor resp.
Oberwellenanteil ist tolerierbar? Gibt es Anforderungen an die
Amplitudenstabilität?
Einen Sinusoszillator zu bauen ist in der Tat eine Kunst. Das Problem
ist, die Amplitudenbedingung V(über alles) = 1 zu treffen. Ist V<1 dann
schwingt der Oszillator nicht an. Ist V>1 dann verzerrt er. Nur für
V=1.0000... ist das Ausgangssignal wirklich ein Sinus. Was für reale
Schaltungen immer eine Verstärkungsregelung bzw.
Amplitudenstabilisierung bedeutet.
Einen Spot-Sinus-Generator (sprich: für genau eine Frequenz) baut man
viel einfacher digital. Simpelst-Lösung ist ein Johnson-Zähler aus
D-Flipflops, deren Ausgänge über Widerstände zusammengeschaltet einen
Sinus approximieren. Nächste Eskalationsstufe ist ein EPROM mit
Sinustabelle, dahinter DA-Wandler und davor ein quarzgesteuerter Zähler.
Die große Lösung wäre ein DDS mit einem AD98xx (gibts beim Chinesen für
weit unter EUR 10,- als Modul). Als Zwischenschwein könnte man einen AVR
mißbrauchen (Jesper-DDS: http://www.myplace.nu/avr/minidds/index.htm).
Den Ausgang natürlich noch filtern (wobei sich der Aufwand da in Grenzen
hält, wenn man wirklich nur eine Frequenz braucht).
Vorteile sind die Quarzstabilität der Frequenz. Nahezu perfekte
Klirrwerte und Amplitudenstabilität jenseits von Gut und Böse. Und man
kann problemlos auch krumme Frequenzen realisieren onhe gleich ein
Vermögen für einen Spezialquarz auszugeben.
XL
Voraussetzung für die funktionierende und in den Ergebnissen plausible
Simulation ist eine korrekte Netzliste (Schematics).
Im Bild capture1.png fehlt ein junction zwischen C1 und C2.
C3 ist (Simu) für die Katz.
C2 im Bild capture2.png ist kurzgeschlossen.
Wird das Bauteil (Kondensator) mit einem Doppelklick angewählt, kann
neben dem Wert und der Toleranz auch die „Anfangsbedingung“ (initial
condition, IC) eingegeben werden.
Im Zeitpunkt 0 (Start der Simulation) ist dem Kondensator dann eine
Vorspannung zugewiesen. Bei der Berechnung des bias point wird das
berücksichtigt.
PSpice legt die Stützstellen -jene an denen gerechnet wird- automatisch
fest, wenn keine Vorgaben, um Rechenzeit zu sparen. Ändern sich
Spannungen u. Ströme stark werden die Abstände von selbst reduziert.
Ist bei „step ceiling“ kein Eintrag, hat die max. Schrittweite wenige %
der „final time“.
Bei der Simu mit der Impulsquelle wird eine Anstiegszeit von 30ns
vorgegeben, daher macht das Programm die Zeit zwischen Stützstellen sehr
kurz.
Mit einer 9V DC-Spannungsquelle setzt die Schwingung (Simu) also auch
ein wenn die Schrittweite, Parameter „Step ceiling“, z. B. auf 2ns
gesetzt wird.
Ihr seit echt klasse! - Toll dass ihr so hilfsbereit seit!
Lothar S. schrieb:> Wenn Du einen Sinus benötigst ist DAS DIE Schaltung.> Nur, auch mit 10Meg benötigt sie "ewig und drei Tage" zum> Anschwingen*... .
Na das freut mich, dass ich hier die richtige Wahl getroffen habe :)
Bloß wie berechne ich denn die Dimensionierung für die Widerstände? -
Finde da nirgends etwas in der Literatur.
Axel Schwenke schrieb:> Kannst du mal Butter bei die Fische tun? Was nennst du "sehr stabil"?> Geforderte Anfangsgenauigkeit? Kurzzeitstabilität (Jitter)?> Langszeitstabilität (Alterung)? Temperaturstabilität?
Mit sehr stabil meine ich eine Frequenzstabilität von unter einem Herz.
Die Anfangsgenauigkeit ist nicht wichtig. Langzeitstabilität ist auch
nicht von belang genauso wie die Temperaturstabilität.
Axel Schwenke schrieb:> Und apropos "Sinusschwingung"? Welcher Klirrfaktor resp.> Oberwellenanteil ist tolerierbar? Gibt es Anforderungen an die> Amplitudenstabilität?
Klirrfaktor... - Man sollte schon noch erkennen dass es ein Sinus ist. -
Aber dennoch ist hier eine hohe Toleranz verkraftbar. Die Amplitude ist
auch nicht wichtig :D
--> Wichtig ist eine sinusförmige Oscillation und eine möglichst stabile
Frequenz (sehr geringer Jitter)
b35 schrieb:> Mit einer 9V DC-Spannungsquelle setzt die Schwingung (Simu) also auch> ein wenn die Schrittweite, Parameter „Step ceiling“, z. B. auf 2ns> gesetzt wird.
Ahh.. genau... woran liegt es denn, das wenn ich die Schrittweite und
die Endtime höher setze (z.B. 10us), dass dann der Quarz nicht mehr
anfängt zu schwingen? - Denn wenn ich die Simulation ca. 5 sekunden
laufen lasse mit 2 ns Schrittweite, versagt mein PC :-/
Du wirst viele Begriffe durcheinander. Lese erstmal einschlägige Papers.
Wenn du bei dieser Oszillatorschaltung bleiben willst, ist ein Filter am
Ausgang die einfachste Möglichkeit einen Sinus zu bekommen.
WAS willst du denn GENAU machen?
Ich bin zur Zeit auch daran ein 40 kHz Oscillator zu entwerfen (siehe
Anhang).
Wenn man diese aufbaut, schwingt sie wunderbar, bloß die Simulation
läuft mit LTspice nicht, vielleicht aber ja bei dir mit dem Pspice.
Einfach mal ausprobieren!
Dennoch... Hat hier jemand eine Idee wieso die Simulation in LTspice
nicht läuft? Liegt es vielleicht an dem CD4069UB? Das Modell habe neu
implementiert...
Die Simulationseinstellungen entsprechen den gleichn von Helmut S..
Einer ne Idee?
Mal kurz drübergesehen. Strukturmäßig siehts ok aus. Vermutlich haben
die MOSFETs falsche Werte.
Nimm diese hier, dann startet der Oszillator und ist nach 830ms stabil.
Verbrät mit 3uW aber zuviel im Quarz. Die dürfen nur 1uW abkriegen. Also
muß die Schleifenverstärkung noch korrigiert werden.
Es reicht dann einfach tran 1 startup
Der Rest kann weg.
.model CD4069BN NMOS W=60u L=10u
+ Level=1 Gamma= 0
+ Tox=1200n Phi=.6 Rs=0 Kp=111u Vto=2.0 Lambda=0.01
+ Rd=0 Cbd=2.0p Cbs=2.0p Pb=.8 Cgso=0.1p
+ Cgdo=0.1p Is=16.64p N=1
.model CD4069BP PMOS W=60u L=10u
+ Level=1 Gamma= 0
+ Tox=1200n Phi=.6 Rs=0 Kp=55u Vto=-1.5 Lambda=0.04
+ Rd=0 Cbd=4.0p Cbs=4.0p Pb=.8 Cgso=0.2p
+ Cgdo=0.2p Is=16.64p N=1
In diesem Fall stellt LTspice, wie auch andere SPICE-Programme, die
Schrittweise dynamisch ein. Ändert sich etwas schnell, dann wird
automatisch die Schrittweite reduziert. Ändert sich nichts, dann wird
die Schrittweite erhöht. Genau genommen passiert das auch, wenn man eine
Schrittweite vorgibt, denn diese gibt nur die obere Grenze für den
Zeitschritt an.
