Verständnisproblem Quarzgenerator

[Siegmar H. (Firma: privatanwender) (logiker_61)]

Ein Hallo ins Forum.

Mich beschäftigt ein Verständnisproblem zu einem Quarzgenerator.
Vorab: Die Schaltung dazu funktioniert, nur warum sie so funktioniert 
ist mir nicht verständlich.

Hintergrund ist, ich bekam aus einem Fundus eine Handvoll Röhrenquarze 
(NARVA) 10kHz und 100kHz. Dazu sei noch gesagt, die Quarze befinden sich 
in originaler Verpackung, sind unbenutzt und lagerten vermutlich über 
Jahre irgendwo in einem Karton in der hintersten Ecke, sind aber ohne 
Umwelteinflüsse wie Nässeeinwirkungen etc. geblieben. Aus der Verpackung 
heraus wie neu.

Also mal schnell auf dem Steckbrett einen entsprechenden Generator 
aufgebaut um die Röhrenquarze auf Funktion hin überprüfen zu können. Mal 
schnell war nicht, da die "üblichen" Schaltungen nicht funktionierten, 
sprich: Die Quarze schwingen mit diesen Schaltungen nicht an.
Dann in etwas älteren Büchern nach geeigneten Schaltungen gesucht. In 
"Hagen Jakubaschk's Schaltkreis-Bastelbuch" (2. Auflage) fündig geworden 
(siehe Anlage). Mit der Schaltungsvorlage Seite 146 Bild 4.12b schwingen 
die Quarze sofort. Bei R1 habe ich allerdings 47k verbaut, bei ca. 
eingestellten 23k schwingen die Quarze sauber an. Die Gatter sind keine 
TTL sondern ich habe DL000 eingesetzt.
In der Realität waren die Schwingwerte nicht 10,000kHz oder 100,000kHz 
wie auf den Quarzen aufgedruckt, kleinere Abweichungen waren bei allen 
Quarzen vorhanden. Also einen "Zieh-Kondensator" in Reihe zum Quarz, 
analog der Schaltung Bild 4.12a und auf die Endwerte abgeglichen. 
Langzeitstabilität äußerst genau, wirklich 10,000kHz/100,00kHz, bis auf 
die letzte Stelle.

Jetzt zum eigentlich (für mich) Unerklärlichen. Beim Einfügen des 
"Zieh-Kondensators" in Reihe zum Quarz habe ich einen Fehler begangen. 
Der "Zieh-Kondensator" liegt (im jetzigen Versuchsaufbau noch immer) vor 
dem Quarz (zwischen R1 und Quarz), nicht wie in der Schaltung Bild 4.12a 
dahinter. Die Tests aller Quarze verliefen mit dieser Schaltungsvariante 
und waren alle erfolgreich. Irgendwann habe ich den Fehler bemerkt und 
die Verbindungen so umgesteckt, wie im Bild 4.12a. Ab da ging überhaupt 
nichts mehr, keiner der Quarze schwingt mehr an, egal welche 
Einstellungen ich an R1 vorgenommen hatte. Nach Umstecken auf die 
eigentlich "fehlerhafete" Schaltungsvariante funktionierte und 
funktioniert wieder alles. Ohne "Zieh-Kondensator" (sei nebenbei hier 
noch erwähnt) funktionieren beide Schaltungsvarianten, nur nicht mit der 
genauen Frequenz.

Kann mir jemand dieses Verhalten erklären?
Dank im Voraus für die Rückmeldungen.


logiker_61

[Michael U. (amiga)]

Hallo,

da Du zum Aufbau keine Angaben oder Bilder verraten hast, vermute ich 
mal ein Steckbrett?

Parasitäre Kapazitäten im Aufbau dürften mit dem Zihtrimmer einen 
kapazitiven Spannungsteiler ergeben, so daß die Schwingbedingung nicht 
mehr erfüllt wird.
Die Kapazitäten dürften je nach Anordnung ziemlich unterschidlich in 
ihrer Wirkung sein.
Die alten Biegeschwinger sind mit heute üblichen Schaltungen ziemlich 
schwer zum Schwingen zu bekommen. Ich habe damals eine 
Transistorschaltung benutzt, auch um den Quarz nicht stärker als nötig 
zu belasten.
Mechanisch sind die Teile auch sehr stoßempfindlich, der Kristall reißt 
schnell von den Kontaktdrähten und klappert dann nett in der Glasröhre 
rum...

Gruß aus Berlin
Michael

[Siegmar H. (Firma: privatanwender) (logiker_61)]

Hallo Michael,

Michael U. schrieb:
> da Du zum Aufbau keine Angaben oder Bilder verraten hast, vermute ich
> mal ein Steckbrett?

Doch habe geschrieben, dass ich den Generator auf einem Steckbrett 
aufgebaute habe ("Also mal schnell auf dem Steckbrett einen 
entsprechenden Generator aufgebaut um die Röhrenquarze auf Funktion hin 
überprüfen zu können.").

Alle Verbindungen so kurz wie möglich gehalten, IC ist auch mit 100n 
geblockt und und und.


Michael U. schrieb:
> Die alten Biegeschwinger sind mit heute üblichen Schaltungen ziemlich
> schwer zum Schwingen zu bekommen. Ich habe damals eine
> Transistorschaltung benutzt, auch um den Quarz nicht stärker als nötig
> zu belasten.

Ja, das war mir vorher schon bewusst. Deshalb war ich auch positiv 
überrascht, dass die Funktion mit Abb. 4.12b sofort gegeben war.
Hast du die Transistorschaltung evtl. noch (Quelle)?

Nur der Umstand "Zieh-Kondensator" vor oder hinter dem Quarz und die 
entsprechenden Funktionalitäten sind damit immer noch nicht plausibel 
erklärt.


logiker_61

[Peter D. (peda)]

Siegmar H. schrieb:
> bei ca.
> eingestellten 23k schwingen die Quarze sauber an.

Das erscheint mir für 10kHz deutlich zu niederohmig.
Ich würde für kleine Frequenzen CMOS nehmen, z.B. CD4007.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Siegmar H. schrieb:
> Die Gatter sind keine
> TTL sondern ich habe DL000 eingesetzt.

Aber das ist doch TTL. Ich bin zwar kein Spezi für Bauteile aus der DDR, 
aber die DL Serie war m.W.n. das Äquivalent zur SN74xx Reihe.
http://www.khb-radios.de/halbleiter-bipolare_ics.html

Ich wäre mit dem TTL Oszillator und Röhrenquarzen etwas vorsichtig. 
Schon damals war diese Schaltung als 'Quarzmörder' verschrien, weil sie 
den Quarz doch mit recht hohen Strömen belastet. Machs, wie PeDa 
vorschlägt und nimm CMOS.
Mit einem 4011 schwingt hier auch ein 1,666kHz Quarz bestens und 
dauerhaft - man hört ihn leise vor sich hinpiepsen.

[Paul B. (paul_baumann)]

Matthias S. schrieb:
> Siegmar H. schrieb:
>> Die Gatter sind keine
>> TTL sondern ich habe DL000 eingesetzt.
>
> Aber das ist doch TTL. Ich bin zwar kein Spezi für Bauteile aus der DDR,
> aber die DL Serie war m.W.n. das Äquivalent zur SN74xx Reihe.

Nein, die DLxxx-Serie entspricht der 74LSxx -also Low-Power-Shottky.
Die D-Serie (also z.B. D100) sind "echte" TTL. Hier also D100=7400

Matthias S. schrieb:
> Ich wäre mit dem TTL Oszillator und Röhrenquarzen etwas vorsichtig.
> Schon damals war diese Schaltung als 'Quarzmörder' verschrien, weil sie
> den Quarz doch mit recht hohen Strömen belastet. Machs, wie PeDa
> vorschlägt und nimm CMOS.

Da stimme ich auch zu.

MfG Paul

[Siegmar H. (Firma: privatanwender) (logiker_61)]

Hallo,

Matthias S. schrieb:
> Aber das ist doch TTL. Ich bin zwar kein Spezi für Bauteile aus der DDR,
> aber die DL Serie war m.W.n. das Äquivalent zur SN74xx Reihe.

Da irrst Du. Die DLxxx-Reihe ist äquivalent zu SN74LSxx.

Ja, ich werde wohl auch mit CMOS testen.


logiker_61

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Siegmar H. schrieb:
> ... in etwas älteren Büchern nach geeigneten Schaltungen gesucht. In
> "Hagen Jakubaschk's Schaltkreis-Bastelbuch" (2. Auflage) fündig geworden
> (siehe Anlage). Mit der Schaltungsvorlage Seite 146 Bild 4.12b schwingen
> die Quarze sofort. Bei R1 habe ich allerdings 47k verbaut, bei ca.
> eingestellten 23k schwingen die Quarze sauber an. Die Gatter sind keine
> TTL sondern ich habe DL000 eingesetzt.

Der DL000 ist die DDR-Variante des 74LS00. Variante 4.12 a) funktioniert 
nur mit Quarzen, die einen niedrigen Resonanzwiderstand haben. Variante 
b) vergrößert den Eingangswiderstand des ersten Gatters und erlaubt 
dadurch eine wesentlich hochohmigere Auslegung der Schaltung. Außerdem 
wird so die Verlustleistung am Quarz verringert, was bei den aktuellen, 
viel kleineren Bauformen genauso wichtig ist wie bei Röhrenquarzen.

> Jetzt zum eigentlich (für mich) Unerklärlichen. Beim Einfügen des
> "Zieh-Kondensators" in Reihe zum Quarz habe ich einen Fehler begangen.
> Der "Zieh-Kondensator" liegt (im jetzigen Versuchsaufbau noch immer) vor
> dem Quarz (zwischen R1 und Quarz), nicht wie in der Schaltung Bild 4.12a
> dahinter.

Das ist vollkommen egal. Bei einer Reihenschaltung ist die Reihenfolge 
unerheblich für das "von außen" sichtbare Verhalten.

> Die Tests aller Quarze verliefen mit dieser Schaltungsvariante
> und waren alle erfolgreich. Irgendwann habe ich den Fehler bemerkt und
> die Verbindungen so umgesteckt, wie im Bild 4.12a. Ab da ging überhaupt
> nichts mehr, keiner der Quarze schwingt mehr an, egal welche
> Einstellungen ich an R1 vorgenommen hatte.

Für Variante a) darf der Widerstand R1 nicht hochohmiger als ca. 1K (für 
74LS) bzw. 270R (74xx) sein. Sonst geht schon mal prinzipiell nichts. 
Mit einem 47K Poti wirst du einen passenden Widerstand nur schwer 
finden.

> Nach Umstecken auf die
> eigentlich "fehlerhafete" Schaltungsvariante funktionierte und
> funktioniert wieder alles. Ohne "Zieh-Kondensator" (sei nebenbei hier
> noch erwähnt) funktionieren beide Schaltungsvarianten, nur nicht mit der
> genauen Frequenz.

Wenn Schaltung a) ohne Ziehkondensator funktioniert, aber nicht mit 
einem solchen, dann hast du irgend etwas falsch gemacht. Eventuell ist 
der Ziehkondensator schlicht zu klein. Hängt natürlich von der 
Quarzfrequenz ab.

Aufbau auf einem Steckbrett ist übrigens nicht gut für hochfrequente 
Schaltungen. Und ich wette, du hast auch keinen Abblockkondensator am IC 
vorgesehen, oder?

[Siegmar H. (Firma: privatanwender) (logiker_61)]

Hallo Axel,

evtl. verwechselst Du da etwas:
Ich hatte geschrieben, dass ich die Schaltung nach Bild 4.12b gewählt 
habe und dass diese incl. Röhrenquarz sofort angelaufen ist.

Siegmar H. schrieb:
> Mit der Schaltungsvorlage Seite 146 Bild 4.12b schwingen
> die Quarze sofort.

Nur die Schwingwerte stimmten nicht ganz, so dass ich (analog dem Bild 
4.12a) einen "Zieh-Kondensator" in Reihe zum Quarz eingefügt habe. Damit 
konnte ich dann die exakten Schwingwerte erreichen. Das Unerklärliche 
ist, dass die Schaltung Bild 4.12b nur funktioniert, wenn der 
"Zieh-Kondensator" vor dem Quarz liegt.

Siegmar H. schrieb:
> Jetzt zum eigentlich (für mich) Unerklärlichen. Beim Einfügen des
> "Zieh-Kondensators" in Reihe zum Quarz habe ich einen Fehler begangen.
> Der "Zieh-Kondensator" liegt (im jetzigen Versuchsaufbau noch immer) vor
> dem Quarz (zwischen R1 und Quarz), nicht wie in der Schaltung Bild 4.12a
> dahinter.

Und sicher ist auch, dass kein Verdrahtungsfehler vorliegt, ich hab's 
wirklich mehrmals kontrolliert.

Axel S. schrieb:
> Aufbau auf einem Steckbrett ist übrigens nicht gut für hochfrequente
> Schaltungen. Und ich wette, du hast auch keinen Abblockkondensator am IC
> vorgesehen, oder?

Siegmar H. schrieb:
> Alle Verbindungen so kurz wie möglich gehalten, IC ist auch mit 100n
> geblockt und und und.


logiker_61

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Paul B. schrieb:
> Nein, die DLxxx-Serie entspricht der 74LSxx -also Low-Power-Shottky.
> Die D-Serie (also z.B. D100) sind "echte" TTL. Hier also D100=7400

Da lasse ich mich gerne belehren - wie gesagt, ich habe mit den DDR 
Teilen nie wirklich zu tun gehabt, danke, Jungs :-) Allerdings halte ich 
auch die LS Serie für zu stark für die empfindlichen Röhrenquarze.

[Karl B. (gustav)]

Siegmar H. schrieb:
> "Zieh-Kondensator"

Hi,
war nach ca. 10 Jahren fehlerfreien Betriebs Ursache für Ausfall der 
Selbstbau-Nixie-Uhr.
Die Silberauflage des Keramiktrimmers war oxidiert.
Habe durch Styroflex-Festkondensator ersetzt.
Tip:
Zieh-Kondensator umpolen.
Quarz umpolen.
Dann Quarzgehäuse sollte möglichst auf Massepotenzial gelegt werden.

Wenn das nicht die Ursache ist, sind die Quarze die "falschen".
Sind es die üblichen HC-6Us...?

Einige sind vielleicht Obertonquarze, die eine Parallel-Induktivität 
benötigen.

Alles 'mal ausprobieren.

Habe ja den Steckbrettaufbau in Verdacht. Für HF-Experimente nicht so 
gut geeignet. Hab' zwar auch ein solches, aber bis ich die Kontaktdrähte 
abgelängt und gebogen habe, habe ich die Schaltung schon zweimal 
zusammengelötet im fliegenden Aufbau. Dann hatte ich auch schon 
mysteriöse Kontaktfehler. Bei der Löterei bin ich mir ziemlich sicher, 
beim Steckbrett kann ich ja nicht "reingucken", ob die Kontaktfedern 
richtig fest sitzen.

ciao
gustav

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Siegmar H. schrieb:
> Hallo Axel,
> evtl. verwechselst Du da etwas:
> Ich hatte geschrieben, dass ich die Schaltung nach Bild 4.12b gewählt
> habe und dass diese incl. Röhrenquarz sofort angelaufen ist.

Das habe ich durchaus verstanden.

> Nur die Schwingwerte stimmten nicht ganz, so dass ich (analog dem Bild
> 4.12a) einen "Zieh-Kondensator" in Reihe zum Quarz eingefügt habe.

Kannst du etwas konkreter werden? Welche Frequenz soll der Quarz haben, 
welche hast du gemessen und mit welchem Ziehkondensator hast du das 
korrigieren können? Wie gut kannst du dich auf das Meßergebnis 
verlassen?

Beachte auch, daß diese Schaltung den Quarz in Serienresonanz betreibt. 
Wenn der aufgedruckte Wert die Parallelresonanz sein sollte (was aber 
ungewöhnlich wäre) dann würde die Frequenz natürlich nicht stimmen.

> Das Unerklärliche
> ist, dass die Schaltung Bild 4.12b nur funktioniert, wenn der
> "Zieh-Kondensator" vor dem Quarz liegt.

Vielleicht meinst du mit "vor" ja etwas anderes als ich. Zur Vermeidung 
solcher Mißverständnisse zeichnet man im Allgemeinen Schaltbilder und 
beschreibt seine Schaltung nicht nur mit Worten.

Laß es mich trotzdem mit Worten versuchen: es sind zwei Inverter in 
Reihe geschaltet, wobei der erste Inverter mit einem Widerstand zwischen 
Ein- und Ausgang in den Linearbetrieb gebracht wird. Der Quarz ist 
zwischen den Ausgang des zweiten und den Eingang des ersten Inverters 
geschaltet. Optional ist ein Ziehkondensator in Reihe zum Quarz 
geschaltet.

Aber ob dieser Ziehkondensator nun näher am Eingang des ersten Inverters 
oder näher am Ausgang des zweiten Inverters liegt, ist für die Funktion 
vollkommen unerheblich.

[Karl B. (gustav)]

Hi,
war noch nicht ganz fertig:
Bei meiner TTL 10 MHz Quarzmutteroszillatorschaltung funktioniert nur 
der originale 7400, nicht die Low-Power-Schottky-Version 74LS00.
Das liegt unter anderem auch daran, dass der 7400 keine Eigenkapazität 
pro "Schottkydiode" am Eingang und keine "Antisättigung" besitzt, so 
dass die Logikpegel etwas abweichen.

50 ns ist ja der "Flankenkennwert", und 10 MHz sind für damalige Sachen 
schon recht hoch.


ciao
gustav

[Siegmar H. (Firma: privatanwender) (logiker_61)]

Hallo Axel,

Axel S. schrieb:
> Vielleicht meinst du mit "vor" ja etwas anderes als ich. Zur Vermeidung
> solcher Mißverständnisse zeichnet man im Allgemeinen Schaltbilder und
> beschreibt seine Schaltung nicht nur mit Worten.

Habe eine Handzeichnung angefertigt und angehängt.
Zur Erklärung: Variante 1 ist die, welche funktioniert, Variante 2 die 
aus Abb. 4.12a, die nicht funktioniert. Natürlich ist immer nur ein 
"Zieh-Kondensator" vorhanden, entweder G mit CZ1 oder G mit CZ2.


Axel S. schrieb:
> Kannst du etwas konkreter werden? Welche Frequenz soll der Quarz haben,
> welche hast du gemessen und mit welchem Ziehkondensator hast du das
> korrigieren können? Wie gut kannst du dich auf das Meßergebnis
> verlassen?

Der Röhrenquarz hat 100,000kHz. Wird er in der Variante 1 betrieben, 
dann messe ich eine IST-Frequenz an Gatter 3 (Gatter 3 nur 
Impulsformung, hier nicht in der Handzeichnung vorhanden) von 99,989kHz. 
CZ1 hat 4..25p (mit 10..40p geht's auch, dann aber kritisch). Wenn CZ1 
4..25p hat, dann ist genug Spielraum zur Frequenzkorrektur nach oben und 
unten.


Axel S. schrieb:
> Wie gut kannst du dich auf das Meßergebnis verlassen?

Sehr gut, ich habe zwei verschiedene Frequenzmessgeräte, beide zeigen 
mir identische Messergebnisse an.


logiker_61

[Siegmar H. (Firma: privatanwender) (logiker_61)]

Hallo Karl,

Karl B. schrieb:
> Tip:
> Zieh-Kondensator umpolen.
> Quarz umpolen.

Habe ich bereits getätigt, ohne Erfolg.

Karl B. schrieb:
> Wenn das nicht die Ursache ist, sind die Quarze die "falschen".
> Sind es die üblichen HC-6Us...?

Kein Quarz im HC-6U-Gehäuse.

Link: 
http://www.jogis-roehrenbude.de/Roehren-Geschichtliches/Spezialroehren/Quarzkristall-Roehren.htm

Etwas scrollen, dann kommt der NARVA-Quarz.


logiker_61

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Siegmar H. schrieb:
> Habe eine Handzeichnung angefertigt und angehängt.
> Zur Erklärung: Variante 1 ist die, welche funktioniert, Variante 2 die
> aus Abb. 4.12a, die nicht funktioniert.

Da die beiden Schaltungen elektrisch identisch sind, kann das 
eigentlich nicht sein. Allerdings gibt es ja noch parasitäre Effekte, 
etwa wenn ein Anschluß von Trimmer(?) oder Quarz eine größere Kapazität 
nach GND hat. Die sollte man allerdings durch das Umpolen dieser 
Bauelemente auch herausfinden können.

>> Kannst du etwas konkreter werden?
>
> Der Röhrenquarz hat 100,000kHz. Wird er in der Variante 1 betrieben,
> dann messe ich eine IST-Frequenz ... von 99,989kHz.

Das sind -110ppm Abweichung. Alterung findet eigentlich in der 
Gegenrichtung statt. Könnte aber sein, daß der Quarz ursprünglich für 
Parallelresonanz gedacht ist. Bau doch mal spaßeshalber einen 
Quarzoszillator mit einem CMOS-Inverter in Pierce-Schaltung 
(https://de.wikipedia.org/wiki/Pierce-Schaltung) und prüfe, ob die 
Frequenz dann besser stimmt.

[Peter D. (peda)]

Axel S. schrieb:
> Bau doch mal spaßeshalber einen
> Quarzoszillator mit einem CMOS-Inverter in Pierce-Schaltung
> (https://de.wikipedia.org/wiki/Pierce-Schaltung)

Da sind R1 und R2 vertauscht, d.h.:
R1 = 10M
R2 = 4,7k..220k