Hallo, ich beschäftige mich mit Quarzoszillatoren - mir ist nicht ganz klar, wie es hier zur ENTSTEHUNG einer Schwingung kommt. In einigen Quellen wird erwähnt, dass er ohne externe Anregung selbstständig schwingt, in anderen Quellen ist die Notwendigkeit einer externen Quelle erwähnt, damit die Schwingung angeregt wird. Was ist nun korrekt? Beim Anschluss an einen µC als Taktgeber ist doch auch keine externe Quelle zur Anregung vorhanden... ich gehe also davon aus, dass dieser selbstständig anschwingt (z.B. durch mechanische Vibrationen etc...). Aber wie funktioniert das dann genau?
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Mach dir mal Gedanken über den Unterschied der Bauteile "Quarz" und "Quarzoszillator".
Ein Quarzoszillator ist ein Quarz + Beschaltung um die Schwingungen an zu regen bzw. Pegelanpassung vor zu nehmen.
Hans F. schrieb: > Beim Anschluss an einen µC als Taktgeber ist doch auch keine externe > Quelle zur Anregung vorhanden... Doch, nämlich der Inverter im µC, der ohne den Quarz einfach wild auf irgendeiner hohen Frequenz schwingen würde: - Beitrag "Re: ST ausgenutzt und bis aufs Blut gequält - Wettbewerb" Der Quarz sorgt dann nur noch dafür, dass der Inverter in der Gesamtschaltung auf der gewünschten Frequenz schwingt.
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Super, danke! Wenn man die Pierce Schaltung betrachtet, die ja diesen Inverter auch beinhaltet: Warum ist das Signal am Ausgang des Inverters noch kein "schönes Rechtecksignal", was die Verwendung eines weiteren Schmitttriggers erfordert?
Hans F. schrieb: > Pierce Schaltung Schau dir doch die Signalverläufe in der Schaltung an. Dann siehst du, warum.
Hans F. schrieb: > Hallo, > > ich beschäftige mich mit Quarzoszillatoren - mir ist nicht ganz klar, > wie es hier zur ENTSTEHUNG einer Schwingung kommt. In einigen Quellen > wird erwähnt, dass er ohne externe Anregung selbstständig schwingt, in > anderen Quellen ist die Notwendigkeit einer externen Quelle erwähnt, > damit die Schwingung angeregt wird. Der Quarz als Bauteil ist immer nur ein Teil der Oszillatorschaltung, welche immer ein aktives Element (Verstärker) mit positiver Rückkopplung darstellt. Dabei ist es die Aufgabe des Quarzes, die notwendige Schleifenverstärkung (etwas größer als "1" für Sinus-Oszillatoren) bei der gewünschten Frequenz möglichst genau zu realisieren. Man erinnere sich dabei an die von Barkhausen formulierte Schwingbedingung. In diesem Zusammenhang kann der Quarz unterschiedliche Funktionen erfüllen - je nach der Oszillator-Schaltungsvariante. in der er benutzt wird: * Entweder er wird in Serienresonanz betrieben (Phasendrehung Null), oder * er wird als hochwertige Induktivität (neben seiner Resonanzfrequenz) "missbraucht" mit einer Phasendrehung von 90 Grad - wie z.B. in Hochpass- oder Tiefpass-Netzwerken 3. Ordnung in der Rückkopplung, um bei einem invertierenden Verstärker die notwenigen zusätzlichen 180 Grad Phasendrehung zu ermöglichen bei der gewünschten Frequenz. Das ist der Fall bei den "Phase shift"-Oszillatoren (Stichworte: Colpitt, Pierce).
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Hans F. schrieb: > ich beschäftige mich mit Quarzoszillatoren - mir ist nicht ganz klar, > wie es hier zur ENTSTEHUNG einer Schwingung kommt. In einigen Quellen > wird erwähnt, dass er ohne externe Anregung selbstständig schwingt, in > anderen Quellen ist die Notwendigkeit einer externen Quelle erwähnt, > damit die Schwingung angeregt wird. > > Was ist nun korrekt? Beim Anschluss an einen µC als Taktgeber ist doch > auch keine externe Quelle zur Anregung vorhanden... ich gehe also davon > aus, dass dieser selbstständig anschwingt (z.B. durch mechanische > Vibrationen etc...). Aber wie funktioniert das dann genau? Durch systemimmanentes, breitbandiges Rauschen, welches durch eine Rückkopplung mit Verstärkung >1 verstärkt wird, dadurch im Pegel immer weiter ansteigt, bis schließlich eine Begrenzung oder Amplitudenregelung greift. Der Quarz oder ein anderes frequenzselektives Bauteil (z.B. Schwingkreis) wählt aus dem breitbandigen Rauschen eine bestimmte Frequnz aus, bei der die Verstärkung den nötigen Wert erreicht, alle anderen Frequenzen werden unterdrückt.
Nachtrag Zum Anschwingen: Dafür sorgt eigentlich immer der in die Schaltung gegebene Impuls beim Einschalten der Versorgungsspannung. Das gilt auch für die Simulation - sofern man die Versorgung auch bei t=0 erst einschaltet. Ein separater Strom-Impuls (wie hin und wieder vorgeschlagen) ist nicht nötig.
Lutz V. schrieb: > Nachtrag Zum Anschwingen: Dafür sorgt eigentlich immer der in die > Schaltung gegebene Impuls beim Einschalten der Versorgungsspannung. Das > gilt auch für die Simulation "Ordentliche" Oszillatoren schwingen auch bei beliebig langsamem Ansteigen der Versorgungsspannung an, das habe ich selbst bei einigen Oszillatoren (NICOS-Varianten) gemessen.
Hans F. schrieb: > ich beschäftige mich mit Quarzoszillatoren - mir ist nicht ganz klar, > wie es hier zur ENTSTEHUNG einer Schwingung kommt. Es genügt das Rauschen welches jegliche Elektronik um den Quarz herum hat. hat. Der Quarz (als sehr selektiver Schwingkreis) filtert bevorzugt die Eigenfrequenz. D. davon kommt wieder mehr Ampltide zum (verstärken) Inverter. Du kannst diese Anschwingen sehr schon sichtbar machen, wenn Du z.B. ein Oszilloskop an den Inverterausgang schaltest. Bzw. an den Ausgang die Pierce Schaltung. edit: Arno war schneller .-)
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Arno R. schrieb: > "Ordentliche" Oszillatoren schwingen auch bei beliebig langsamem > Ansteigen der Versorgungsspannung an, das habe ich selbst bei einigen > Oszillatoren (NICOS-Varianten) gemessen. Korrekt, das Rauschen der Elektronik reicht da völlig aus. Da die Güte des Q-Schwingkreises leicht 10exp5 bis über 10exp6 erreicht: kein Wunder das es klappt .-)
OK, jetzt gibt es hier dann doch wieder beide Aussagen (Notwendigkeit einer externen Anschwingquelle ja / nein) wie in der Literatur, aber ich nehme das mal so hin :) Danke! Kann mir noch jemand eine Antwort über meine letzte Frage oben geben? Ich vermute, der Grund ist die Belastung des Inverters mit den Widerständen und Kondensatoren, welche das Rechteck etwas "verschleifen". Der Schmitt Trigger macht daraus wieder ein Rechtecksignal mit hoher Flankensteilheit, weil am Ausgang keine Last mehr ist (bzw extrem hochohmig) - ist diese Überlegung korrekt bzw kann das jemand so bestätigen? Thx,
Hans F. schrieb: > Super, danke! > > Wenn man die Pierce Schaltung betrachtet, die ja diesen Inverter auch > beinhaltet: Warum ist das Signal am Ausgang des Inverters noch kein > "schönes Rechtecksignal", was die Verwendung eines weiteren > Schmitttriggers erfordert? Es gibt zahlreiche Varianten des Pierce-Oszillators (mit OPV, BJT. FET, dig. Inverter,...) - welche Schaltung meinst Du und ist Dein Ziel also kein Sinus, sondern Rechteck?
Hans F. schrieb: > OK, jetzt gibt es hier dann doch wieder beide Aussagen Nein, das sind nicht "beide Aussagen", sondern es wird klar, dass du das Thema "Quarzoszillatoren" nicht über 1 Kamm scheren kannst. Wenn du diskret mit Transistoren aufgebaute Quarzoszillatoren mit einer reinen und feinen Sinusschwingung (also geringer Verstärkung) willst, dnan musst du dir eher mal Gedanken ums Anschwingen machen. Bei Inverter-Oszillatoren ist das in weitem Bereich kein Problem, weil da der Inverter ausreichend Verstärkung mit sich bringt. Hans F. schrieb: > Ich vermute, der Grund ist die Belastung des Inverters mit den > Widerständen und Kondensatoren, welche das Rechteck etwas "verschleifen". Abgesehen davon, dass das Ersatzschaltbild des Quarzes auch nur aus Kondensatoren und Widerständen und einer Spule besteht, sind die Hauptgründe in der Praxis, dass 1. der Inverter einen Innenwiderstand hat und 2. man den Quarz gar nicht rechteckig mit maximaler Amplutide anregen will, weil das unnötig Energie kostet
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Hans F. schrieb: > Warum ist das Signal am Ausgang des Inverters noch kein > "schönes Rechtecksignal", was die Verwendung eines weiteren > Schmitttriggers erfordert? Durch das Feedback (Widerstand vom Ausgang zum Eingang) ist die "digitale" Funktion des Inverters gestört.
Georg M. schrieb: > > > Durch das Feedback (Widerstand vom Ausgang zum Eingang) ist die > "digitale" Funktion des Inverters gestört. Wohl eher - wie schon oben angedeutet - durch den endlichen Ausgangswiderstand des Inverters, welcher mit der kapazitiven Last einen "schönen" Tiefpass bildet und das Ausgangssignal entsprechend verzerrt.
Lothar M. schrieb: > Hans F. schrieb: >> Ich vermute, der Grund ist die Belastung des Inverters mit den >> Widerständen und Kondensatoren, welche das Rechteck etwas "verschleifen". > Abgesehen davon, dass das Ersatzschaltbild des Quarzes auch nur aus > Kondensatoren und Widerständen und einer Spule besteht, sind die > Hauptgründe in der Praxis, dass > 1. der Inverter einen Innenwiderstand hat und > 2. man den Quarz gar nicht rechteckig mit maximaler Amplutide anregen > will, weil das unnötig Energie kostet Schaut man beim "Großen Quarzkochbuch" (B. Neubig, W. Briese) rein, wird schnell klar, dass es dabei primär um das Anschwingverhalten geht. Die Autoren erklären am Beispiel eines Colpitts-Oszillator: "Das Rückkopplungsverhältnis und somit die Ausgangsamplitude und die Quarzbelastung können durch geeignete Auswahl von CA und CB (*) eingestellt werden. Das Verkleinern von CB relativ zu CA bewirkt ansteigende HF-Ausgangsamplitude, die das Anschwingen erleichtert, jedoch kann es auch eine Tendenz zum Schwingen im 3. oder sogar höheren Obertönen oder auf einer Nebenwelle geben." Anmerkung: (*) CA, CB = Rückkopplungskondensatoren vom Aus- zum Eingang. U.U. ist es also vorteilhaft, den Oszillator vom Impulsformer abzutrennen und beide Stufen getrennt zu 'optimieren'.
Lothar M. schrieb: > ... sind die Hauptgründe in der Praxis, dass > 1. der Inverter einen Innenwiderstand hat und > 2. man den Quarz gar nicht rechteckig mit maximaler Amplutide anregen > will, weil das unnötig Energie kostet 3. daß der Inverter eine endliche Verstärkung hat Man will die Verstärkung der Schwingstufe auch nicht zu hoch haben. Denn sobald der Verstärker clippt (also am Ausgang vom Sinus zum Trapez übergeht) erzeugt er auch Obertöne. Dann ist die Schwingbedingung u.U. auch für 3-fache oder gar 5-fache Grundfrequenz erfüllt und es ist Glückssache, welche man trifft. Je höher die Verstärkungsreserve, desto größer die Gefahr.
OK, danke für die zahlreichen Inputs! ich meine damit die einfache Pierce Schaltung, wie sie auch bei Wiki gezeigt wird: https://de.wikipedia.org/wiki/Pierce-Schaltung Welchen genauen Grund hat hier der Schmitttrigger? Es steht hier erwähnt, dass er für den nötigen rechteckigen Signalverlauf sorgt... Aber warum ist der Signalverlauf nach dem Inverter nicht "Ideal rechteckförmig"? Ich habe vorher vergessen, die genaue Schaltung anzugeben, deshalb hier nochmals diese Frage speziell bezogen auf diese Schaltung lt Wiki. Danke!
Hans F. schrieb: > Aber warum ist der Signalverlauf nach dem Inverter nicht "Ideal > rechteckförmig"? Das habe ich oben bereits erklärt.
Hans F. schrieb: > ich meine damit die einfache Pierce Schaltung, wie sie auch bei Wiki > gezeigt wird: > https://de.wikipedia.org/wiki/Pierce-Schaltung Hatten wir schon: https://www.mikrocontroller.net/attachment/319431/oscillator.png
Hans F. schrieb: > ich meine damit die einfache Pierce Schaltung, wie sie auch bei Wiki > gezeigt wird OK, gut zu wissen, worauf genau du dich beziehst. Hans F. schrieb: > Aber warum ist der Signalverlauf nach dem Inverter nicht "Ideal > rechteckförmig"? Das ist dir nicht nur von Georg 2x erklärt worden. Es steht auch in dem von dir verlinkten Artikel unter der Überschrift "Funktion". Dort steht, was R1 macht. Lies dir das ein paar Mal durch. Wenn du es nicht verstehst, fehlen dir Grundlagen. Die kannst du dir aber erarbeiten: Mach dich schlau, was Rückkopplung ist, und auch was Mitkopplung und Gegenkopplung bewirken. Es hilft, sich die Signale so zu sagen "in Zeitlupe" im zeitlichen Ablauf au zu sehen. Das habe ich dir bereits empfohlen: John B. schrieb: > Schau dir doch die Signalverläufe in der Schaltung an. Dann siehst du, > warum. Mach das mal. Wenn du auf Empfehlungen und Hilfestellungen nicht reagierst, kommst du nicht weiter.
Noch mal: Der Inverter-Ausgangswiderstand verursacht zusammen mit kapazitivem Feedback-Block ein Tiefpassverhalten am Ausgang, wodurch die Flanken gerundet werden.
Angehängte Dateien:
-
Inverter_feedback.png
1,8 KB
Hans F. schrieb: > Aber warum ist der Signalverlauf nach dem Inverter nicht "Ideal > rechteckförmig"? Nochmals zur Verdeutlichung: Was erwartest du am Ausgang des Inverters - HIGH oder LOW?
Georg M. schrieb: > Was erwartest du am Ausgang des Inverters - HIGH oder LOW? So etwas haben wir früher mit 74xx mit Schmitt Trigger gemacht. Dritte Oberwelle lag im UKW Bereich. Gab damals sogar Minispione dieser Bauart.
Hans F. schrieb: >Aber warum ist der Signalverlauf nach dem Inverter nicht "Ideal >rechteckförmig"? Weil der Quarz nicht rechteckig schwingen kann. Stell dir mal einen Fadenpendel oder Uhrpendel vor, kann der rechteckig schwingen? Der Quarz will sinusförmig schwingen. Und der Verstärker (Inverter) sollte hochohmig, also linear und nicht rechteckig arbeiten, damit der Oszillator eine hohe Betriebsgüte bekommt. Dafür sorgt der Gegenkopplungswiderstand vom Ausgang zum Eingang.
Hans F. schrieb: > ich beschäftige mich mit Quarzoszillatoren - mir ist nicht ganz klar, > wie es hier zur ENTSTEHUNG einer Schwingung kommt Rauschen. Das enthält u.a. die Frequenz, die die Oszillatorschaltung verstärkt. Je nach Güte des Schwingkreises geht das schneller oder langsamer. Siehe: "> Wie lange dauert es bis der Quartzoszillator eines uC sauber läuft ? Von: Oliver Bartels, Oliver Betz, Uwe Hercksen, Rafael Deliano Typischerweise kommt so ein uC Quarzoszillator bei z. B. 8 MHz in <1ms hoch, die Amplitude ist dann aber noch nicht völlig stabil. Berechenbar ungefähr über die Güte Q der Gesamtschaltung als gespiegelte Exponentialfunktion: A(t) = A0 (1- exp(- (omega t) / (2 Q) ) ) Das Omega ist wie gehabt 2 pi f_res, die Güte von einem Wald- und Wiesen-Quarz alleine liegt ca. bei 40000 bis 50000, das Loaded Q (Quarz mit Schaltung als Last) eher <10000 je nach Chip und Schaltung. Dämpft man den Quartzoszillator um EMV Abstrahlungen vor allem auf Oberwellen zu reduzieren durch einen Widerstand in Reihe zum Quartz, z.B. ein 300uW drive level durch 500 Ohm zu einem 100uW drive level, dann schwingt er noch langsamer an. Keramikschwinger schwingen offensichtlich deutlich schneller an als ein Quarz." aus: https://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.7
Michael B. schrieb: > Hans F. schrieb: >> ich beschäftige mich mit Quarzoszillatoren - mir ist nicht ganz klar, >> wie es hier zur ENTSTEHUNG einer Schwingung kommt > > Rauschen. Das ist auch der Grund dafür, dass bei einer Simulation, bei der das Rauschen fehlt, der Oszillator eventuell nicht anschwingt.
Damit er anschwngt, benötigt er eine Nichtlinearität. Die bewirkt einen Energietransfer über verschiedene Frequenzen hinweg. Das Ganze hat was von einem parametrischen Verstärker.
Dietrich L. schrieb: > Das ist auch der Grund dafür, dass bei einer Simulation, bei der das > Rauschen fehlt, der Oszillator eventuell nicht anschwingt. Daher streut LT Spice Rauschen ein.
Das wäre mir neu. Der alte Wunsch tranoise zu implementieren, wurde auch nie realisiert. Was es gibt ist numerisches Rauschen. Und aufgrund der begrenzten Auflösung low-end bit clipping.
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