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Quartz-Ersatzschaltung.png
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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?
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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.
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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.
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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
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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.
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oszillator_zweiter_versuch.png
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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?
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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.
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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?
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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.
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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...
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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.
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100kHz_Oszillator.png
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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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