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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Pierce Oszillator mit LCR-Schwingkreis


Autor: Leon (Gast)
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Hallo,

ich möchte in angehängter Schaltung einen Oszillator mit 100kHz 
Schwingfrequenz umsetzen.

Nach der Formel für den Reihenschwingkreis ergibt sich unter Wahl von C 
= 10nF eine Spule von ca. 253µH.
( Rechnung nach Online Rechner verifiziert:
https://wetec.vrok.de/rechner/cskreis.htm ).

Allerdings ergibt die Simulation der Schaltung in LTSpice eine 
Schwingfrequenz von ca. 1,1MHz ( Faktor 10 zu viel; gemessen durch 
Fourier-Analyse).

Je nach Wahl von R1 & R2 tritt bei besonders hohen Widerständen ( 10k-1M 
Ohm ) keinerlei Schwingung auf, der Ausgang des OPs hängt auf ca. -13V.

Wo liegt der Fehler der Frequenz  / Bauteilberechnung?

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Leon schrieb:
> Wo liegt der Fehler der Frequenz  / Bauteilberechnung?

An deiner Schaltung. Der + Eingang geht auf den Ausgang des OPs damit 
arbeitet der nicht mehr linear sondern kippt von einem extrem ins 
andere.

Und der - Eingang hat ueberhaupt keinen DC Pfad nach GND. Der schwebt 
quasi in der Luft.

Autor: Frank (Gast)
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Wie Helmut Lenzen schrieb.

Einfach + und - beim OPV vertauschen.

Daß der OPV irgendwann auch nicht mehr mitkommt sollte auch klar sein, 
eine zu hohe Verstärkung bei gleichzeitig hoher Verstärkung schafft er 
ggf. nicht mehr. Schon davor kann eine Phasenverschiebung unangenehm 
(Stabilitätsbeeinträchtigung) werden.

Autor: Frank (Gast)
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Nein das ist ja immer noch nicht richtig. Der OPV muß als invertierender 
Verstärker beschaltet werden, die Widerstände entsprechend umgestellt. 
Die Phasendrehung von 180° braucht man ja beim Pierce. Die anderen 180° 
kommen von der Pi-Brücke.

Also +In auf GND legen.
R2=10 Ohm in die -In Strecke legen.
Rückkopplung auf -In legen.
Verstärkung = -10, also 10 + 180° Phasendrehung

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Leon schrieb:
>Wo liegt der Fehler der Frequenz  / Bauteilberechnung?

C2 und C3 gehören mit zum Schwingkreis, rechne mal die
Reihenschaltung von C1, C2, C3 aus, da kommt keine 10nF raus.

>Nach der Formel für den Reihenschwingkreis ergibt sich unter Wahl von C
>= 10nF eine Spule von ca. 253µH.

Und dann R3 weglassen und R2 größer machen. Und den +Eingang
auf masse legen, für einen LC-Oszillator benutzt man keinen
Schmitt-Trigger.

Autor: Leon (Gast)
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Hallo,

anbei der zweite Versuch.

Der Kondensator in Reihe mit der Spule scheint keinen Einfluss auf das 
Schwingen zu haben. Den kann ich auch kurzschließen.

Die zwei Kondensatoren zu Masse können nicht weggelassen werden und 
müssen sich wohl auch grob in dem Bereich bewegen, in dem ich sie 
gewählt habe. Sonst schwingt auch wieder nix.

Ich habe absolut keine Ahnung warum das schwingt und wovon das abhängt. 
Auf jedem Fall nicht von den errechneten Kondensator- und Spulenwerten.

Und das Ding schwingt beim besten Willen nicht mit 100kHz.

Hat noch jemand einen Tipp?

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Leon schrieb:
> Und das Ding schwingt beim besten Willen nicht mit 100kHz.

Wie kommst du darauf das es mit 100kHz schwingen sollte?

Die ganze Schwingkreiskapazitaet ist die Reihenschaltung aus 
62p,62p,10nF.
Ergibt rund 31pf.

f = 1/(sqrt(31pF * 253uH)  2  Pi) = 1.79MHz.
Was auch mit deine Simulation hinkommt.
Die 10nF bestimmen fast gar nichts an der Schwingfrequenz.

Leon schrieb:
> Die zwei Kondensatoren zu Masse können nicht weggelassen werden und
> müssen sich wohl auch grob in dem Bereich bewegen, in dem ich sie
> gewählt habe. Sonst schwingt auch wieder nix.

Ganz klar, dein Verstaerker macht 180 Grad Phasendrehung. Um was zum 
schingen zu kriegen braucht es 360 Grad (Phasenbedingung) Also muss dein 
Schwingkreis (Pi Filter)  die restlichen 180 Grad besorgen. Das geht nur 
mit Hilfe der beiden 62pF Kondensatoren.

Autor: Leon (Gast)
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Alle drei Kondensatoren auf 30nF gesetzt um in der Reihe 10nF zu haben 
--> Schwingt nicht.

Spule zum alten Kondensator (31pF) angepasst und 81mH eingebaut --> 
Schwingt nicht.

Was fehlt?

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Wenn du da einen R4 = 1K und dahinter einen 30nF nach GND hast... was 
hat das wohl fuer eine Grenzfrequenz?  (ca.5.3Khz)

Das andere Extrem:  81mH ergibt bei 100Khz wieviel?

Du schwankst zwischen 2 Extremen.

Autor: Leon (Gast)
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Also bildet R4 mit C3 einen Tiefpass?

Was hat es mit der Spule auf sich? Welche Art von Filter, bzw. welche 
Bauteile wirken hier als Filter, die beim Erreichen der Wunschfrequenz 
stören?

Ich habe testhalber R4 auf 100 Ohm reduziert. Wenn auch R5 verkleinert 
wird (10 Ohm), liegt Schwingfrequenz liegt dann bei ca. 94kHz was den 
100kHz schon nahe kommt.

Ich steige aber immer noch nicht durch wie jetzt welche Bauteile 
zueinander wirken und welche Werte letztlich die Schwingfrequenz 
bestimmen...

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Warum willst du die Güte des Schwingkreises mit R5 kaputt machen?
Also R5 weglassen, R3 weglassen. R1,R2 könnten vielleicht um das
10 fache größer gemacht werden. Für R1 könnte man einen
einstellbaren Widerstand einsetzen und den dann langsam so weit
verkleinern bis die Schaltung anfängt zu schwingen.

>Ich steige aber immer noch nicht durch wie jetzt welche Bauteile
>zueinander wirken und welche Werte letztlich die Schwingfrequenz
>bestimmen...

Die Reihenschaltung von C1,C2,C3 ist die Schwingkreiskapazität,
die mußt du ausrechnen, sie bestimmt die Frequenz. C3 und C2
ist mit 62pF viel zu klein.

>Ich habe testhalber R4 auf 100 Ohm reduziert.

R4 nicht zu klein machen, sonst verschlechtert sich die
Betriebsgüte. Laß ihn bei 1kOhm oder größer.

Autor: Robert M. (r0bm)
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Damit ein Oszillator schwingt muss für eine Schleifenverstärkung > 1 und 
eine Phaseverschiebung von 0° bzw. 360° gesorgt werden. Ich habe mal ein 
Bsp. angehängt.

Die Schwingfrequenz liegt rechnerisch bei ca. 104kHz (1mH und 2 x 4,7nF 
in Serie). Durch die recht niederohmige Bedämpfung (R3) des 
Schwingkreises und zusammen mit dem Soft-Limiter ( R4/D1/D2), soll am 
Ausgang ein möglichst schöner Sinus entstehen. Die Verstärkung des 
invertierenden OPV (-180°) liegt bei etwas über 2, insgesamt kommt man 
mit Reserve auf einer Schleifenverstärkung > 1.
Der Tiefpass schiebt die Phase, zusammen mit R1 um weitere -180°, und 
das, wegen dem recht niederohmigen R3, bei einer Frequenz die leicht 
über der rechnerisch ermittelten liegt.
Damit nicht der OPV die Ausgangsspannung begrenzen muss, wurde der 
Soft-Limiter eingebaut. Möchstest du lieber eine angenäherte 
Rechteckspannung am Ausgang, sollte mit R4 und hochohmigere R2/R3 
experimentiert werden.

Autor: Frank (Gast)
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Hier liegt ein schwerer Irrtum vor.

Es handelt sich um einen Pi-Filter aus der Induktivität (=Quartz = 
Induktivität höchster Güte) und den beiden Kondensatoren (62 pF bei 
Dir).

Es handelt sich nicht um einen Serienschwinger und desahlb ist die 
Frequenzberechnung auch so nicht richtig.

Das paßt nicht: https://wetec.vrok.de/rechner/cskreis.htm

Die Berechnung von Helmut Lenzen oben ist richtig (Berechnung für 
Pi-Filter).

Also nimm mal größere Kondensatoren so ca. 22 nF. Dann solltest Du ca. 
100 kHz bekommen.

Das Ersatzschaltbild ist außerdem noch komplexer, weil es noch eine 
Parallelkapazität gibt.

Deine Verstärklung sind sehr niedrige 2. Der Pierceoszillator ist 
eigentlich für sehr hohe Verstärkungen ausgelegt. Was Du in der 
Simulation vmtl. nicht gut hinbekommst ist die mangelnde 
Amplitudenstabilität einer solchen Schaltung.

Autor: Robert M. (r0bm)
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Frank schrieb:
> Deine Verstärklung sind sehr niedrige 2. Der Pierceoszillator ist
> eigentlich für sehr hohe Verstärkungen ausgelegt. Was Du in der
> Simulation vmtl. nicht gut hinbekommst ist die mangelnde
> Amplitudenstabilität einer solchen Schaltung.

Man nimmt nur soviel an Verstärkung wie notwendig damit sich eine 
Schwingung aufbaut, das gilt auch für den Pierce Oszillator.
Eine sich aufbauende Schwingung wird solange wachsen bis eine Begrenzung 
auftritt. Im einfachsten Fall ist das der OPV selbst, der mit der 
Ausgangsspannung nicht höher als die eigene Betriebsspannung gehen kann. 
Die Ausgangsamplitude ist damit stabil.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Ich habe heute die Schaltung mal auf ein Steckbrett
getestet, mit OP ICL7616  C1 C2 C3 = 33nF   R1 = 56kOhm
R2 = 470kOhm  R4 = 1kOhm  und für L1 habe ich in
mein Bastelvorrat ein Ferritschalenkern mit 800µH gefunden.
Schwingt einwandfrei bei etwa 50kHz. Wichtig ist auch
das L1 eine hohe Güte hat.

Autor: Frank (Gast)
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Robert M. schrieb:
> Frank schrieb:
>> Deine Verstärklung sind sehr niedrige 2. Der Pierceoszillator ist
>> eigentlich für sehr hohe Verstärkungen ausgelegt. Was Du in der
>> Simulation vmtl. nicht gut hinbekommst ist die mangelnde
>> Amplitudenstabilität einer solchen Schaltung.
>
> Man nimmt nur soviel an Verstärkung wie notwendig damit sich eine
> Schwingung aufbaut, das gilt auch für den Pierce Oszillator.
In diesem Fall nicht. Der Pierceoszillator ist ein Rechteckschwinger. 
Damit auch ein ordentliches Rechtecksignal mit steiler Flanke 
herauskommt muß die Verstärkung hoch sein.

> Eine sich aufbauende Schwingung wird solange wachsen bis eine Begrenzung
> auftritt. Im einfachsten Fall ist das der OPV selbst, der mit der
> Ausgangsspannung nicht höher als die eigene Betriebsspannung gehen kann.
> Die Ausgangsamplitude ist damit stabil.
Ja das stimmt im Prinzip, funktioniert aber eben nur sauber, wenn die 
Verstärkung ausreichend groß ist. Beim Pierce verwendet man daher oft 
Verstärkung von 100 bis 1000000. Im Prinzip muß die Verstärkung so groß 
gewählt werden, daß sie die Güte des Quarzes kompensiert.

Das andere ist, wenn man eine Sinusschwingung erzeugen möchte. Dann ist 
die Verstärkung ausreichend, aber man bekommt keine Amplitudenstabilität 
hin. Erreicht die Amplitude die gewünschte Höhe muß die Verstärkung 
begrenzt werden. Wenn dies fehlt wird immer weiter verstärkt bis man 
Rechteck bei Maximalamplitude hat.

@Günther Lenz
Es gibt nichts besseres als eine funktionierende Schaltung.
Der Themaersteller will ja einen Quarz für L1 nehmen.

Autor: Robert M. (r0bm)
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Frank schrieb:
> In diesem Fall nicht. Der Pierceoszillator ist ein Rechteckschwinger.

Rechteckschwinger in diesem Fall ja, nicht per se.

Frank schrieb:
> Ja das stimmt im Prinzip, funktioniert aber eben nur sauber, wenn die
> Verstärkung ausreichend groß ist. Beim Pierce verwendet man daher oft
> Verstärkung von 100 bis 1000000. Im Prinzip muß die Verstärkung so groß
> gewählt werden, daß sie die Güte des Quarzes kompensiert.

Nur im Prinzip? Eine hohe Verstärkung als Bedingung damit ein Oszillator 
"sauber" funktioniert?

> Das andere ist, wenn man eine Sinusschwingung erzeugen möchte. Dann ist
> die Verstärkung ausreichend, aber man bekommt keine Amplitudenstabilität
> hin. Erreicht die Amplitude die gewünschte Höhe muß die Verstärkung
> begrenzt werden. Wenn dies fehlt wird immer weiter verstärkt bis man
> Rechteck bei Maximalamplitude hat.

Eine Begrenzung des Schwingamplitude findet immer irgendwo statt, sei es 
intern an einer Diodenstrecke eines Transistors, wie in diesem Fall 
durch die begrenzte Ausgangsspannung eines OPV, über einen externen 
Diodenlimiter, über eine externe ALC Schaltung etc. Die Ausgangsspannung 
ist stabil, egal ob eine Sinus- oder Rechteckspannung generiert wird.

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