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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Was bringt das Quarz aus dem Takt ?


Autor: E. M. (elektromeister)
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Eine Baugruppe, die Ich nicht auf dem Tisch habe, sondern der Kunde, 
scheint zu Mucken, d.h. die Datenrate zuckt und jittert. Der Kunde hat 
einiges an kV und kA in seinem System drin und Ich habe den Verdacht, 
dass der Quarz irgendwie beeinflusst wird. Kennt jemand Quellen, die das 
untersuchen?

Es geht also um eine Art EMV-festigkeit von Quarzen. Der Takt in der 
Baugruppe kommt ausschliesslich vom Quarz. Keine PLL oder Chip 
dazwischen. Oder ist die Einflussmöglichkeit auf den Pegel so hoch? 
Eigentlich sollte das klargehen, da kurze Leitungen unter 1cm und auch 
eine C-Belastung liegt vor.

Der Quarz hängt an einem ASIC, der von sich aus den Takt verteilt. Der 
ASIC ist aber schon der, der unsauber ausgibt, wie ich aus den 
Oszillogrammen ersehen kann.

Autor: Arduino Fanboy (ufuf)
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Edi M. schrieb:
> Was bringt das Quarz aus dem Takt ?

Rütteln und Schütteln.

: Bearbeitet durch User
Autor: E. M. (elektromeister)
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Sollte das ernst gemeint sein: Die Baugruppe ist in einem Verbund 
verbaut, das weich gelagert ist und nicht erschüttert wird .

Autor: Rufus Τ. Firefly (rufus) (Moderator) Benutzerseite
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Ein Quarz erzeugt keinen Takt, sondern hilft nur einer 
Oszillatorschaltung dabei, stabilisiert zu schwingen.

Ist das, worum es Dir geht, ein kompletter Quarzoszillator in einem 
Gehäuse (mit mindestens drei, aber üblicherweise vier Anschlüssen), oder 
ist das ein Quarz, der an irgendeinem IC angeschlossen ist?

Autor: Teo Derix (teoderix)
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kV, kA.... Spannungsversorgung!?
Wäre dann aber phasengekoppelt.

Autor: E. M. (elektromeister)
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Es ist ein schnöder Quarz, der auf eine Taktschaltung intern geht. Diese 
kenne Ich nicht. Quarz ist Standardbeschaltung.

kv = 600V Spannungen geschaltet im HF/HV-Teil, EMV fliegt durch das 
Gehäuse
kA = 150A-Spitzen mit Ausläufer im MHz-Bereich.

Wäre unschön wenn unsere Baugruppe da nicht liefe und wir das ändern 
müssten. Wenn Ich wüsste, dass es der EMI-Einfluss ist, würde Ich denen 
eine Gehäuse kommandieren.

Autor: Hp M. (nachtmix)
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Edi M. schrieb:
> Der Takt in der
> Baugruppe kommt ausschliesslich vom Quarz. Keine PLL oder Chip
> dazwischen. Oder ist die Einflussmöglichkeit auf den Pegel so hoch?

Aber die Versorgungsspannung kommt nicht vom Quarz.
Und ja: Ein Quarzoszillator ist eine analoge Baugruppe, die sehr wohl 
durch externe Störspannungen durcheinander gebracht werden kann.

Autor: Sapperlot W. (jetztnicht)
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Ich wuerde eher nicht den Quarz vermuten und messen gehen. Ich denke man 
wird anpassen muessen. Vielleicht habt ihr die EMV Vorschriften 
eingehalten, vielleicht auch nicht. Egal. Es scheint nicht zu genuegen. 
Das kann man aber loesen.

Dazu muessten wir allerdings etwas mehr wissen.
- das Gehauese ist ein geerdetets Metallgehaeuse.
- Alle Kabel & Signal zur Baugruppe wurden gefiltert und geblockt

Mach da mal ein gefiltertes Kabel dran und lass dir zB ein Timersignal 
ausgeben. Miss mit dem Oszilloskop.

Autor: Patrick B. (p51d)
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Edi M. schrieb:
> Ich habe den Verdacht,
> dass der Quarz irgendwie beeinflusst wird.

Edi M. schrieb:
> Es geht also um eine Art EMV-festigkeit von Quarzen.

Ich weiss jetzt nicht, ob es wirklich nur am Quarz liegt, oder an der 
Schaltung. Hatte mal einen PIC mit 20MHz Quarz. Beim EMV Test gab es 
dann schöne Probleme bei einer Einkopplung von 20MHz (und Harmonische) 
Feldern.

Ich denke du hast ein massives EMV Problem, da nach deiner Aussage deine 
Baugruppe allem Anschein nie entsprechend geprüft wurde (so was dürfte 
man eigentlich nicht verkaufen!?)

Lösungsvorschlag:
Dein Print in ein separates, zusätzliches Gehäuse einbauen. Alle 
Leitungen geschirmt ausführen (oder mindestens differentiell) und der 
Schirm entsprechend korrekt am Gehäuse anschliessen. Dann auf dem Print 
die nötigen EMV Massnahmen vorsehen (Common Mode Drossel, Filter auf 
IOs, Shield-Ring und GND mit mehreren C's auf Shield anbinden, TVS 
Dioden...). Und das Ganze dann unter den entsprechenden Bedingungen 
testen!

Autor: Achim S. (Gast)
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Edi M. schrieb:
> d.h. die Datenrate zuckt und jittert.

Was ist damit gemeint?
- Kommt da ein (z.B. serieller) Datenstrom raus, dessen Bits mal länger, 
mal kürzer sind?
- ist der Datenstrom vielleicht nur gestört? (also Störsignale wie ein 
Sinus über die ansonsten perfekt getimten Daten)
- wird der Datenstrom vielleicht nur als korrupt erkannt (und gar kein 
Jitter gemessen?)
- Ist es nur ein Jitter (also Gesamtlänge eines Datenstroms stimmt auf 
1-2 Takte genau) oder gehen Takte verloren bzw. kommen hinzu?

Funktioniert(e) das Gerät im Labor (ohne kA und kV) zur Zufriedenheit?

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Edi M. schrieb:
> Der Quarz hängt an einem ASIC, der von sich aus den Takt verteilt. Der
> ASIC ist aber schon der, der unsauber ausgibt

Dann nimm mal testweise einen Quarzoszillator. Kann gut sein, daß die 
analoge Schaltung im ASIC fehlangepaßt ist.
Um welche Frequenz geht es überhaupt?

Autor: M. H. (bambel2)
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Edi M. schrieb:
> Sollte das ernst gemeint sein: Die Baugruppe ist in einem Verbund
> verbaut, das weich gelagert ist und nicht erschüttert wird .

Zur Info: Ein Quarz ist ein mechanisches Bauelement. Es schwingt 
mechanisch. Deshalb ist die maximale Taktrate eines Quarzes auch 
begrenzt auf einige hundert MHz.

Ein weiterer Aspekt ist, dass ein Quarz, salopp gesagt, ein Stein ist. 
Der Strom durch ein Quarz ist extrem gering und kann sehr leicht durch 
EMV gestört werden. In vielen Schaltungen hat das Qaurz deshalb eine 
getrennte Massefläche, die nur an einer Stell auf die Hauptmasse 
durchverbunden ist. So kommen keine Störungen zum Quarz.

Sollten die Takte der Bauteile durch PLLs gewonnen werden, ist es 
unwahrscheinlich, dass es am Quarz liegt, da die PLLs stabil arbeiten, 
wenn sie sich erstmal aufsynchronsiert und "gelockt" haben.

Aber prinzipiell sind Quarze empfindliche Bauelemente, sowohl 
mechanisch, als auch elektrisch.

Autor: Sapperlot W. (jetztnicht)
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Ich haett jetzt eher gesagt, dass ein Quarz ein sehr robustes Element 
ist, und wahrscheinlich mehr Vibrationen wie zB ein Elko vertraegt, 
weil's den Elko eher abreisst. Und dass die Schwingung hart zu stoeren 
ist, weil die Guete sehr hoch ist, um die 10^5. Mit EMV stoere ich eher 
den Oszillatorteil wie den Quarz selbst. Der Quarz ist ja an einer 
Elektronik angehaengt, differentiell.

Autor: Arduino Fanboy (ufuf)
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Sapperlot W. schrieb:
> Ich haett jetzt eher gesagt, dass ein Quarz ein sehr robustes Element
> ist, und wahrscheinlich mehr Vibrationen wie zB ein Elko vertraegt,
> weil's den Elko eher abreisst.

Ein u.U. fataler Irrtum!

Der häufigste Fernbedienungstod: Quarz defekt, wegen Sturz vom Tisch.

Autor: 6a66 (Gast)
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Edi M. schrieb:
> Eine Baugruppe, die Ich nicht auf dem Tisch habe, sondern der Kunde,
> scheint zu Mucken, d.h. die Datenrate zuckt und jittert. Der Kunde hat
> einiges an kV und kA in seinem System drin und Ich habe den Verdacht,
> dass der Quarz irgendwie beeinflusst wird. Kennt jemand Quellen, die das
> untersuchen?

Hallo Edi,

kann prinzipiell der Quarz sein. Wie schon gesagt ist es aber nicht das 
Bauteil (das sehr wohl mechanisch empfindlich ist) was die Probleme 
machen dürfte sondern die gesamte Oszillatorschaltung.
Andere Möglichkeit wäre der Transceiver der von der vermuteteten CPU 
nach Aussen hin die Schnittstelle (RS232, ...) macht.
Und auch 300A/m ist heute ein üblicher Test bei EMV so dass auch die 
150A die da "rumschwirren" im Verhältnis zum Abstand gesehen werden 
müssen.

Spezifiziere "zuckt und jittert" und versuche ein bisschen etwas über 
Abstände des Störers zu erfahren.

rgds

Autor: Gebhard Raich (geb)
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Es wäre auch noch zu klären, ob es sich um einen Oberwellenquarz oder 
einen Grundwellenquarz handelt.
Sonst würd ich die Gegend um den Quarz versuchsweise mit einem dünnen 
Weissblech (noch besser MU-Metall), das an mehreren stellen an GND 
gelötet ist, schirmen. Es hilft ja nix, offenbar wurden die EM Störungen 
unterschätzt, man muss nachbessern.

Grüsse

Autor: Milesa (Gast)
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Gebhard R. schrieb:
> noch besser MU-Metall

Denk ich auch gerade daran. Wenn es um Abschirmen
starker magnetischer Felder geht hat Mu-Metall eine
ganz neue Qualität in der Schirmwirkung.

Sollte man auf jeden Fall mal ausprobieren. Kost'
aba a bisserl was.

Autor: E. M. (elektromeister)
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Die Schaltung ist schon beim Kunden und Ich habe nicht alle Infos, aber 
so auf die Schnelle, bevor es morgen ans Messen geht das folgende:

1) Es ist ein Grundwellenquarz
2) Er war offenbar nicht abschirmt
3) Die Masse ist anscheinend sauber (genug)
4) Der Quarz ist mit Sicherheit das Problem. Ein Taktgenerator macht den 
Unsinn nicht.

Ich tendiere auch nach Studium der o.a. Punkte zu mehr Abschirmung und 
die Versorgung wird noch besser geblockt.

Autor: Holm Tiffe (holm)
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Der Quarz ist nicht Dein Problem, es ist der Oszillator der den Quarz 
enthält und nachfolgende Triggerstufen. Der Oszillator bewerkstelligt 
die Schwingung durch Umladen von Kapazität und Spule in der 
Quarzersatzschaltung, abhängig von den aktuellen Spannungen. Feuert man 
da von außen hinein ändern sich die Verhältnisse und nicht mehr das 
Quarz alleine ist frequenzbestimmend.
Am Oszillatorausgang hängen i.A. Trigger die ein rechteckförmiges 
Taktsignal am Ausgang für die Prozessorbaugruppen erzeugen, Störnadeln 
auf dem Einagnssignal oder der Betriebsspannung erzeugen zusätzliche 
Flankenwechsel was "Frequenzsprünge" bzw. Jitter erzeugt.

Gruß,

Holm

Autor: Peter R. (pnu)
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Arduino F. schrieb:
> Der häufigste Fernbedienungstod: Quarz defekt, wegen Sturz vom Tisch.

Wohl weil Fernbedienungen meist mit Keramikresonatoren arbeiten. Ich ha 
schon -zig Fernbedienungen offen gehabt, bei allen wars ein 
Keramikresonator, keine  einzige mit Quarz.

Diese Qualität der Fehlerdiagnose stimmt mit der bei Elkos übererein.



Der TO sollte lieber die Oszillatorschaltung überprüfen.

Wenn ein Quarz mechanisch defekt ist (Scheibe (an-)gesprungen) schwingt 
er garnicht oder wenigstens stabil auf einer etwas andren Frequenz.

Quarze haben nahezu alle ein Metallgehäuse. Das soll er halt durch 
anlöten oder eine federnde Spange an Masse legen.

Autor: Alex W. (a20q90)
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Was hängt am Quarz drann? Ne Pufferstufe? Einen AVR? STM32? Ein 42er?

Schaltplan und Boardfile bitte!

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Peter R. schrieb:
> Wohl weil Fernbedienungen meist mit Keramikresonatoren arbeiten. Ich ha
> schon -zig Fernbedienungen offen gehabt, bei allen wars ein
> Keramikresonator, keine  einzige mit Quarz.

Ist auch meine Beobachtung bei IR-FBs.
Quarze sind nur in Funk-FBs für den Modellbau.

Autor: Arduinoquäler (Gast)
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Peter R. schrieb:
> Wohl weil Fernbedienungen meist mit Keramikresonatoren arbeiten. Ich ha
> schon -zig Fernbedienungen offen gehabt, bei allen wars ein
> Keramikresonator, keine  einzige mit Quarz.

Begründung:

Die dabei verwendeten Pendelempfänger sind so breitbandig dass
es unerheblich ist dass der Sender nicht quarzgenau sondern
nur Keramikresonator-genau daherkommt.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Edi M. schrieb:
> 4) Der Quarz ist mit Sicherheit das Problem. Ein Taktgenerator macht den
> Unsinn nicht.

Dann ist einfach nur die Oszillatorstufe Schrott. Die 
Oszillatorschaltung muß impedanzmäßig zum Quarz passen. Sehr oft sieht 
man aber leider misbrauchte Invertergatter, die nie für Analogbetrieb 
gedacht waren.

Ich hab micht auch für meinen ersten Frequenzzähler von der zu tausenden 
publizierten Schaltung mit zwei 7400-Gattern in die Irre führen lassen, 
die letzten 3 Digits wackelten wie blöd. Dann eine Stufe mit nem BJT 
(SF215) aufgebaut und alle 8 Digits waren stabil.

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Peter D. schrieb:
> Edi M. schrieb:
>> 4) Der Quarz ist mit Sicherheit das Problem. Ein Taktgenerator macht den
>> Unsinn nicht.
>
> Dann ist einfach nur die Oszillatorstufe Schrott.

Möglich. Es klingt ja so, als würde ein eingekoppelter Fremdimpuls den 
Oszillator aus dem Tritt bringen. Dann wäre die erste Frage, ob das 
Quarzgehäuse auch schön auf GND liegt. Und die zweite, ob das Layout 
vernünftig (kurze Leitungen, eigene bzw. Signal-Groundplane) ist.

Daß der Oszillator in einem IC dermaßen fehldesigned ist, würde ich 
nicht ganz vorn in die Liste einsortieren.

Autor: E. M. (elektromeister)
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Es könnte sein, dass das das Problem ist: Der Quarz ist ok, Umlöten 
brachte keine Verbesserung. Wenn man aber mit hohen Feldern in die Nähe 
kommt steigt der Jitter an.

Zur Frage oben: Es hängt ein ASIC dran, der eine analoge Eingangsstufe 
hat, muttmasslich eine solche Inverterstufe, mit Vorschrift fpr Quarz 
und Lastkapazität. Wenn man die nach gross ändert, wird es stabiler, 
aber die Frequenz passt nicht mehr. Nach ganz gross wird es eher 
schlechter, was logisch ist. Abschirmen hilft etwas.

An GND war der Quarz richtig angeschlossen.

Nun ist der ASIC-Hersteller dran, was zu vermelden. Wenn da nichts 
zufriedenstellendes kommt, muss ein Taktgenerator her.

Autor: Alex W. (a20q90)
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Edi M. schrieb:
> Es hängt ein ASIC dran, der eine analoge Eingangsstufe hat, muttmasslich
> eine solche Inverterstufe, mit Vorschrift fpr Quarz und Lastkapazität.
> Wenn man die nach gross ändert, wird es stabiler, aber die Frequenz
> passt nicht

Poste mal Schaltplan und Boardfile!

Autor: soul eye (souleye)
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Edi M. schrieb:

> Es könnte sein, dass das das Problem ist: Der Quarz ist ok, Umlöten
> brachte keine Verbesserung. Wenn man aber mit hohen Feldern in die Nähe
> kommt steigt der Jitter an.

Fütter Google mal mit den Begriffen "Anschwingreserve", "drive level 
dependence" ,"negative resistance model". Zur Auslegung einer 
Quarzoszillatorschaltung gehört etwas mehr als nur irgendwo einen Quarz 
zu kaufen und 2x 22 nF dranzumachen.

> An GND war der Quarz richtig angeschlossen.

Auch das Gehäuse? Du hast quasi eine Reihenschaltung der 
Streukapazitäten linker Pin - Blechdose - rechter Pin. Wenn Du das 
Gehäuse auf Masse legst, hat jeder Pin die gleiche Kapazität gegen Masse 
und damit stabile Verhältnisse.

> Nun ist der ASIC-Hersteller dran, was zu vermelden. Wenn da nichts
> zufriedenstellendes kommt, muss ein Taktgenerator her.

Für die Optimierung der Ozillatorschaltung ist i.A. der Quarzlieferant 
zuständig. D.h. der bekommt ein paar ASICs von Dir und schleift dann 
passend bzw definiert die Kapazitätswerte und ggf den Serienwiderstand.

Autor: S. R. (svenska)
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Edi M. schrieb:
> Nun ist der ASIC-Hersteller dran, was zu vermelden. Wenn da nichts
> zufriedenstellendes kommt, muss ein Taktgenerator her.

Kannst du nicht einen Quarzoszillator nehmen?
(Die großen, mit 3 oder 4 Pins?)

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Wir wissen ja immer noch nicht, welche Frequenz. Es ist ein gewaltiger 
Unterschied, ob 32kHz oder 32MHz.

Ich hab noch nie ein Quarzgehäuse mit GND verbunden und es auch noch nie 
in anderen Geräten gesehen. Ich hab auch keinen Einfluß bemerkt, wenn 
ich es mit dem Finger oder einer Laborstrippe berühre.

Autor: E. M. (elektromeister)
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Antwort auf die Fragen:

- Ich kann so ohne weiteres nichts umbauen (lassen), wegen anderem Quarz
- Es ist ein 20MHz, man könnte auch bis auf 50 hoch, denke Ich
- das Gehäuse war wohl doch gegrounded.

Autor: Peter R. (Gast)
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Meister E. schrieb:
> Wenn man die nach gross ändert, wird es stabiler,
> aber die Frequenz passt nicht mehr.

Die  Frequenz eines Quarzes ändert sich beim "Ziehen" durch die 
Lastkapazität höchstens um 100ppm = 1 Zehntausendstel. (Mehr erfordert 
andre Schaltungen als die in der Diditaltechnik üblichen)

Dass die Störempfindlichkeit sich durchs ändern der Cs  ändert, weist 
darauf hin, dass der Oszillator am Quarz falsch ausgelegt ist: viel 
zuwenig Schwingreserve,zu wenig Schwingamplitude, schlechte 
Leitungsführung zum Quarz und zu den üblichen Kondensatoren der 
Schaltung, schlechte Masseführung usw.

 Wenns geht,mach dich doch versuchsweise von der Leiterplatte frei: löte 
die zwei SMD-Cs zwischen die kurzen Drähte des Quarzes und klebe den auf 
die Leiterplatte. Die beiden Drähte vom Quarz bis zu den Pins mit 
blanken 0,1mm-Drähten bis an die pins des asic. Den Massedraht aus der 
Mitte der beiden SMD-Cs auch als dünnen Draht an den nächsten Massepin 
des asic.

Solche "freie" Verdrahtung hat viel geringere Einkopplungsmöglicheiten 
als die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte.

Mit dieser Bastelei kann man dann weningstens nachweisen, dass es an 
einem schlechten Design der Leiterplatte liegt.

Autor: E. M. (elektromeister)
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Das ist ein guter Tipp, allerdings nur für den Proto so richtig 
praktikabel. In der Serie sowas umbauen lassen, möchte Ich eigentlich 
nicht. Es gibt allerdings einen Wink:

In Teilen der Applikation wird eine immerwährende Frequenz erzeugt, die 
genau ein Teiler der Quarzfrequenz ist. Die Vermutung ist, dass diese 
Anregung Strom zieht oder ein Feld macht, welches den Quarz, alos die 
zuleitung und die Spannungsversorgung beeinflussen. Der Quarz wurde 
gegen eine krumme Frequenz getauscht und dann war es weniger, obwohl die 
Leistungsschaltung da dran hängt. Das Ganze ist wohl auch eine 
Verkettung mehrerer Einflussnehmer.

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