Quarzoszillator - hochfrequente Störungen, warum und wie entfernen?

[Sero D. (serotonindude)]

Hallo,

ich habe einen Quarzoszillator mit anschließendem Frequenzteiler (im 
Moment 1:256) und einem Inverter auf einem Steckbrett aufgebaut. 
Äquivalentes Schema zu meinem Aufbau hängt an.

Alle Bauteile haben einen 0.1uF Bypass-Kondensator möglichst nah an den 
Versorgungsanschlüssen und der Oszillator zusätzlich noch einen 0.01uF 
Kondensator. Auf der Spannungsversorgung des Steckbretts hängt ein 
dicker 4700uF Kondensator und das ganze wird von einem 9V->5V 
Spannungskonverter gespeist.

Der Oszillator hat scheinbar eine Frequenz von 3,7 MHz, ich beobachte 
ähnliche Effekte aber auch mit einem 40 MHz Oszillator, dort sogar 
schlimmer.

Ebenfalls angehängt ist ein Screenshot des Oszilloskops, welches an den 
drei im Schema genannten Punkten angeschlossen ist.

Ich kenne mich mit Oszillatoren nicht sonderlich aus und will eigentlich 
nur ein sauberes und stabiles Clocksignal für meine eigentliche 
Schaltung haben. Nun wundere ich mich aber darüber, wie stark der 
Oszillatorausgang überschwingt (gelb), dass er scheinbar nie richtig zur 
Ruhe kommt, dass die hochfrequenten Schwingungen so stark auf die 
Spannungsversorgung (pink) gehen und damit natürlich auch in allen 
Folge-IC-Ausgängen bspw. nach dem Inverter hinter dem Frequenzteiler 
(türkis) auftauchen.

Ich kann mir vorstellen, dass das Steckbrett natürlich einen gewissen 
negativen Einfluss auf die Geschichte hat und dass es auf dem PCB dann 
nicht ganz so schlimm aussehen wird. Auch wird es übler, wenn ich die 
Kondensatoren entferne, aber nicht besser wenn ich noch mehr und 
unterschiedliche Werte hinzufüge.

Meine Frage ist nun: Ist das vielleicht normal? Muss ich damit leben und 
ist es ok, wenn die Spannung dann so in mein restliches, hochkomplexes 
System geht? Oder kann und sollte ich noch etwas zur Verbesserung 
unternehmen und falls ja, was?

Taugen meine Oszillatoren vielleicht auch nichts? Das ist einmal ein 
Raltron 40Mhz CO12100 und ein Cardinal C23492 3,7Mhz, welcher mir 
fälschlicherweise mit dem Raltron mitgeliefert wurde.

Grüße,
Sero :)

[Designer (Gast)]

Du kennst den Spruch, "Wer misst, misst Mist"? ?

[Sero D. (serotonindude)]

Designer schrieb:
> Du kennst den Spruch, "Wer misst, misst Mist"? ?

Und das hilft mir jetzt inwiefern genau weiter?

[Dirk K. (knobikocher)]

Sero D. schrieb:
> Ist das vielleicht normal?

Ja.

Designer schrieb:
> Du kennst den Spruch, "Wer misst, misst Mist"? ?

Deine Messspitze hat eine Induktivität und Kapazität. Diese durch die 
steilen Flanken des Quarzoszillator angeregt  - den Effekt siehst du 
dort. Dazu kommt auch, dass das auf dem Steckbrett natürlich nicht 
optimal ist. Das mit einbezogen: normal.

[Bürovorsteher (Gast)]

> Ich kann mir vorstellen, dass das Steckbrett natürlich einen gewissen
> negativen Einfluss auf die Geschichte hat

Mit dieser Vermutung liegst du exakt richtig.

Und wie sieht die Masseverbindung zwischen dem Tastkopf und der 
Schaltung aus?
Ich würde sagen: das Oszillogramm sieht völlig i.O. aus (bezogen auf 
Aufbau und Messmethodik).

[Michael M. (michaelm)]

Zeig doch mal das Steckbrett mit den angeschlossenen Tastköpfen...

[Sero D. (serotonindude)]

Ja, ok, danke euch!

Dachte mir schon, dass das Steckbrett und die Schwierigkeiten dort mit 
kurzen Anbindungen für die Tastköpfe zu arbeiten recht ungünstig sind 
bei höheren Frequenzen. Da hat man ja doch einiges an Impedanzen 
rumfliegen. Hab euch mal nen Foto vom Aufbau angehängt, da muss ich mich 
wohl nicht wundern :D Hatte halt bisher nur mit Taktfrequenzen im 
Kilohertzbereich zu tun und da hatte ich noch keine derartigen 
Ausschläge gesehen, auch wenn da natürlich auch sehr hohe Frequenzen 
drin sind wegen den steilen Flanken.

Dann gehe ich also mal davon aus, dass das halbwegs in Ordnung ist was 
ich da gemacht habe, und ich da im Grunde Meßfehler sehe und dass es auf 
dem PCB deutlich besser aussehen wird.

[Michael M. (michaelm)]

Alternative:
Mach einen DeadBug- oder Manhattan-Style-Aufbau auf durchgehender 
Masse-Fläche; meinetwegen auch mit qualitativ guten Fassungen für die 
Käfer.
ABER eben sehr kurze Verbindungen !!

Dann miss mal und du bist einen Schritt weiter. ;-)

[Bürovorsteher (Gast)]

Für die Tastköpfe sollten aus Zubehör kurze Blechfähnchen mit einem 
Klemmring beiliegen. Damit erfolgt dann die Masseverbindung unmittelbar 
an der nächstgelegenen Masse der Signalquelle. Ohne die 7 cm lange Litze 
mit Kroko.
Nachteil: du musst die TK während der Messung mit der Hand festhalten.
Und schon sind die Überschwinger (fast) weg.

[Bürovorsteher (Gast)]

Und natürlich direkt mit der Spitze antasten, ohne Greiferkondom!

[Sero D. (serotonindude)]

Krass, was das für nen Unterschied macht... Da habe ich jetzt nicht mit 
gerechnet :D

[Sero D. (serotonindude)]

Aber es ist völlig logisch... Meine Tastköpfe und Kabel und alles bilden 
ja nen Prima Schwingkreis... und den seh ich da dann halt schwingen... 
^^

[Sero D. (serotonindude)]

Danke euch! :) Party

[Erklehr Behr (Gast)]

Sero D. schrieb:
> Danke euch! :) Party

Na, wenisten einer dem man nicht die Abblock-Kondensatoren
hinbeten muss. Hurrah, sie sind schon daaaahhh .....

[Sero D. (serotonindude)]

Erklehr Behr schrieb:
> Sero D. schrieb:
>> Danke euch! :) Party
>
> Na, wenisten einer dem man nicht die Abblock-Kondensatoren
> hinbeten muss. Hurrah, sie sind schon daaaahhh .....

Naja, das kriegt man ja nun relativ schnell mit, wenn man sich mit der 
Materie beschäftigt... wobei die Namen für die Dinger größtenteils Panne 
gewählt sind...

[Designer (Gast)]

Cool, dass sich das für dich geklärt hat :)

[HildeK (Gast)]

Designer schrieb:
> Cool, dass sich das für dich geklärt hat :)

Das war einfach, nach dem man das Oszillogramm gesehen hatte ... :-)

Sero D. schrieb:
> Krass, was das für nen Unterschied macht...

Ja, und ich empfehle dir noch einen Serien-R mit 33Ω direkt am Output 
(5) des Oszillators. Vor allem dann, wenn die Leitung länger als wenige 
cm ist.
Messen darfst du dann aber nur noch direkt an Pin 5 des Oszillators oder 
am Pin 4 vom HC292.
Für den Steckbrettaufbau sieht es aber wirklich gut aus, vor allem wenn 
man sieht, welchen 'Umweg' die Masse macht. Vielleicht sogar schöner als 
es wirklich ist, weil Skope und/oder Tastköpfe evtl. zu wenig Bandbreite 
haben.

[Sero D. (serotonindude)]

HildeK schrieb:
> Designer schrieb:
>> Cool, dass sich das für dich geklärt hat :)
>
> Das war einfach, nach dem man das Oszillogramm gesehen hatte ... :-)
>
> Sero D. schrieb:
>> Krass, was das für nen Unterschied macht...
>
> Ja, und ich empfehle dir noch einen Serien-R mit 33Ω direkt am Output
> (5) des Oszillators. Vor allem dann, wenn die Leitung länger als wenige
> cm ist.
> Messen darfst du dann aber nur noch direkt an Pin 5 des Oszillators oder
> am Pin 4 vom HC292.
> Für den Steckbrettaufbau sieht es aber wirklich gut aus, vor allem wenn
> man sieht, welchen 'Umweg' die Masse macht. Vielleicht sogar schöner als
> es wirklich ist, weil Skope und/oder Tastköpfe evtl. zu wenig Bandbreite
> haben.

Hi,
für was wäre der Serienwiderstand? Um die Last am Oszillator zu 
begrenzen? Aber im Grunde wird der Ausgang dann direkt in den 292 gehen, 
der auch direkt daneben platziert sein wird...
Denke ansonsten kommt das schon hin was ich dann gemessen hatte... sind 
100Mhz Bandbreite Oszi und Tastköpfe und ich hab ja dann direkt zwischen 
Gehäuse und Output-Pin des Oszillators gemessen mit der kleinen 
Massefeder und ohne Tastkopfaufsatz :)

[Christian B. (luckyfu)]

Sero D. schrieb:
> für was wäre der Serienwiderstand

um den Ausgang etwas zu bremsen. Wenn du aber den Eingang direkt daneben 
hast sollte es auch ohne gehen. Wenn da noch ne längere Leitung dabei 
ist wird diese andernfalls als Antenne wirken und dir alles mögliche 
Abstrahlen. Steile Signalanstiege haben in der Fourierzerlegung ein sehr 
breites Spektrum. Das stört dann. Da der Eingang sehr hochohmig ist, ist 
das außerdem wie eine Wand, wo sich der Strompuls spiegelt und dann 
Richtung Sender zurückläuft. Um das zu verhindern macht man den Anstieg 
flacher, bzw nimmt die Ecken aus dem Signal. Das geht am einfachsten mit 
einem Serienwiderstand. so um die 10Ohm sind da schon sehr effizient. 
Wenn man längere Leitungen hat sollte man den Takteingang auch noch 
terminieren um die Reflexion zu vermeiden.

[Sero D. (serotonindude)]

Christian B. schrieb:
> Sero D. schrieb:
>> für was wäre der Serienwiderstand
>
> um den Ausgang etwas zu bremsen. Wenn du aber den Eingang direkt daneben
> hast sollte es auch ohne gehen. Wenn da noch ne längere Leitung dabei
> ist wird diese andernfalls als Antenne wirken und dir alles mögliche
> Abstrahlen. Steile Signalanstiege haben in der Fourierzerlegung ein sehr
> breites Spektrum. Das stört dann. Da der Eingang sehr hochohmig ist, ist
> das außerdem wie eine Wand, wo sich der Strompuls spiegelt und dann
> Richtung Sender zurückläuft. Um das zu verhindern macht man den Anstieg
> flacher, bzw nimmt die Ecken aus dem Signal. Das geht am einfachsten mit
> einem Serienwiderstand. so um die 10Ohm sind da schon sehr effizient.
> Wenn man längere Leitungen hat sollte man den Takteingang auch noch
> terminieren um die Reflexion zu vermeiden.

Alles klar, verstehe. Ist ne Weile her, dass ich das an der Uni hatte :D 
Habe jetzt einen 50 Ohm in Reihe zwischen Oszillator und Teiler... 
Dürfte auch gehen oder? Schaut eigentlich jetzt überall ganz zu meiner 
Zufriedenheit aus :)

[Gerhard O. (gerhard_)]

Wenn ich hier auch etwas Senf im Nachhinein dazugeben darf;-)

Ich weiß, Steckbretter haben generell mit Recht einen sehr schlechten 
Ruf. Trotzdem kann man einigermaßen gute Ergebnisse im MHz Bereich 
erzielen wenn man sich vor dem Aufbau Gedanken macht wie man trotzdem 
noch etwas Brauchbares zum Laufen kriegt.

Zum Rüstzeug jedes seriösen Steckbrettler gehören allerdings eine 
Sammlung von Standardlängen rechtwinklig abgebogener 
Steckbretterdrähten. Sorry, Sero, diesen Zahn muss ich Dir jetzt auch 
noch ziehen: Dein erster Aufbau sieht (noch) aus wie ein "Dogs 
breakfast";-)

Aber das kriegen wir hin, bzw hast Du schon zum Teil.

Zuerst ist es wichtig jeden IC Schaltbaustein für sich selber so 
kurzdrähtig und direkt wie möglich mit einem  Multilayer Kerko zwischen 
Vdd und Vss zu verbinden.

Ein guter Steckbrettaufbau fängt schon mit dem Skizzieren des 
Stromlaufplans an, Dazu sollte man das Schaltbild so skizzieren, dass 
jeder IC für sich selber selbständig mit allen Entkopplungskomponenten 
für sich da steht. Alle Stufen werden dann sternförmig 
zusammengeschaltet. Signalverbindungen zwischen ICs am besten mit 33-100 
Ohm Rs. Vdd über 10 Ohm oder uH Drosseln. Auch die Platzierung der 
Entkopplungs- bzw. Stützkondensatoren bedarf etwas Gedankenarbeit.

Am besten quer über oder unter dem Gehäuse zwischen den beiden 
Anschlusspunkten. Das Spiel wiederholt mit allen anderen Bausteinen. 
Anstatt die langen Versorgungsschienen für Masse zu benutzen, verbinde 
die Vss Anschlüsse jedes Bausteins zentral in sternförmiger Weise. An 
den Vdd Anschlusspunkten verbinde jeden Vdd Punkt über 10 Ohm oder 10uH 
Drossel mit der Versorgungsplusschiene. Zwischen Massensternpunkt und 
Vdd spendiere auch noch einen 0.1u und einen 47uF Elko.

Es kommt hier weitgehendst darauf an, den Stromfluss der 
Signalumschaltungen so weit wie möglich im Innern des Schaltkreises zu 
belassen, so dass die Schaltstromimpulse nur zwischen Vdd und Vss Pins 
herum geistern und nicht den übrigen Aufbau verseuchen. Für die 
Signalverbindungen zwischen ICs wird mit niederohmigen Widerständen 
gearbeitet um Ruflektionen zu absorbieren. Man sollte sich immer bewusst 
sein, dass schon der ehrwürdige Kirchhoff genau gewusst hat wie Strom 
fließt. Antennen durch unsachgemäße Verdrahtung sollte man nach 
Möglichkeit vermeiden.

Die langen Chinastrippen sind für Signalverbindungen zwischen ICs nicht 
zu empfehlen. Kurze Drahtbrücken sind wesentlich besser.

Für die Signalführung zwischen den ICs verwende 33-100 Ohm Widerstände 
um die steilen Schaltflanken mit den Eingangskapazitäten des ICs und des 
Steckbretts etwas abzurunden und Ruflektionen zu absorbieren. Auch 
sollten die Verbindungen zum IC etwas durchdacht und auf kürzesten Weg 
mit richtig gewählten Stechbrettdrahtbrücken erfolgen. Mit den gezeigten 
Drähte bei Dir muss man sparsam umgehen. Man muss sich immer im klaren 
sein, dass ein Ausgang Strom fließen lässt der wieder an die Quelle 
zurück muss. Deshalb sind alle diese Maßnahmen so wichtig.

Obwohl die benachbarten Vertikal-Brücken auf dem Steckbrett an die 10+ 
pF zueinander haben, ist das nicht unbedingt immer ein Crosstalk 
Defizit. Das kann man gezielt ausnützen um gar zu energiereiche 
Schaltflanken zu bändigen. Wenn man aufpasst, dass benachbarte Brücken 
immer einen Massenbezugspunkt haben, dann kann man in Zusammenarbeit mit 
den Kopplungswiderständen damit schnelle Schaltflanken etwas verrunden.

Bei der Oszimessung kommt der Tastkopfbezugspunkt an den 
Sternmassenpunkt.

Nach Möglichkeit verwende keine unnötig schnelle Logikfamilien. Die 
alten CD4000er sind gut fürs Gemüt weil die lange noch nicht so viel 
Zicken machen wie HC und Co.

Jedenfalls, wenn Du das obige beherzigst, wirst Du viel mehr Freude mit 
der Signalqualität haben und Bilderbuch Osziaufnahmen;-). Ich spreche 
aus langjähriger Erfahrung im MHz Steckbrettaufbau und kenne meine 
Pappenheimer.

Ist nur meine Ansicht...