Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 3 Jahren

10-2020

  • Text
  • Technik
  • Verstaerker
  • Antennen
  • Komponenten
  • Technik
  • Radio
  • Filter
  • Emv
  • Wireless
  • Messtechnik
  • Bauelemente
  • Quarz
  • Oszillator
  • Software
  • Quarze
  • Oszillatoren
Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Oszillatorschaltungs-Design (nicht nur) für Mikrocontroller STOP 1 EXTAL 2 XTAL 2 Cx Bild 1: Pierce-Oszillator an einem Mikrocontroller M68HC11 (STOP ist ein intern erzeugtes Signal, das die Oszillatorschaltung deaktiviert) Dieser Artikel soll einen systematischen Ansatz für ein gutes Oszillator- Design liefern und auf einige Tücken hinweisen. Rf Y1 Cy Der Herzschlag jedes Mikrocontroller-Designs ist der Oszillatortakt. Die meisten Designs verlangen ein präzises Timing über einen weiten Temperaturbereich. Schaltungs- und Leiterplattenentwickler haben die Aufgabe, die Mikrocontroller- Funktionen ohne die Bemühung von Paarungsspezifikationen zu gewährleisten. Von der Theorie in die Praxis Die in Bild 1 gezeigte Pierce- Oszillatorschaltung wird bei den meisten Mikrocontrollern verwendet. Diese Schaltung besteht aus einem invertierenden Verstärker und einem selektiven Rückkopplungspfad mit dem Quarz. Dieser bildet in Kombination mit C x und C y ein abgestimmtes Pi-Netzwerk. Im eingeschwungenen Zustand hat diese Schaltung eine Gesamtschleifenverstärkung von 1 und eine Gesamtphasenverschiebung, die ein ganzzahliges Vielfaches von 360° ist. Für das Einschwingen muss die Schleifenverstärkung größer als 1 sein, während die Spannung an XTAL über mehrere Zyklen ansteigt, bis der NAND-Gate-Verstärker gesättigt ist. Auf den ersten Blick scheint ein digitales NAND- Gatter als analoger Verstärker nicht logisch, aber so funktioniert eine Oszillatorschaltung. Wie zu erwarten, ist eine erhebliche Menge an Leistung erforderlich ist, um einen Verstärker in einem linearen Modus zu halten. Das übliche Modell eines Quarzes ist ein Netzwerk aus zwei Kondensatoren, einer Induktivität und einem Widerstand, wie in Bild 2 im oberen Teil dargestellt. Die Nebenschlusskapazität C 0 entsteht durch die Metallplatten für die elektrischen Verbindungen. Quarze können aber bei mehreren Frequenzen schwingen (Obertöne). Für jeden Oberton wird dem Modell eine Serien- RLC-Kombination hinzugefügt (Bild 2 unten). Bei der Nennbetriebsfrequenz ist die Impedanz eines Quarzes induktiv. Wie in Bild 3 gezeigt, ist die Reaktanz des Quarzes bis zu einer Serienresonanzfrequenz f s und darüber hinaus kapazitiv. Bei der Frequenz f a ist die Reaktanz ebenfalls kapazitiv. Dies bedeutet, dass die Schwingungsfrequenz begrenzt wird durch f s und f a . Die genaue stationäre Frequenz wird durch die Verstärkung des Verstärkers und die Last bestimmt. Lastkondensatoren (C x und C y ) werden verwendet, um einen abgestimmten LC-Tankkreis in Resonanz zu bilden. Die kombinierte Impedanz von C x und C y und anderer Streukapazität entspricht der induktiven Reaktanz des Kristalls. Die Betriebsfrequenz kann abgeschätzt werden mit folgender Formel: f ≈ 1/[2π√(L 1 x C L )] In vielen Fällen schwingt die Spannung an EXTAL und XTAL übrigens außerhalb des Bereichs der Betriebsspannung. Durch Ändern der Kapazitätswerte wird die Betriebsfrequenz nur geringfügig geändert, jedoch die Spannung bei EXTAL und XTAL kann sich signifikant ändern. Es ist also auch deswegen wichtig, diese Elemente richtig zu dimensionieren und Qualitätsausführungen zu verwenden: Kondensatoren mit langer Lebensdauer, C0 L1 C1 R1 Quelle: Cathy Cox und Clay Merritt: Microcontroller Oscillator Circuit Design Considerations, AN1706/D, Freescale Semiconductor, Inc., www.freescale.com übersetzt und gekürzt von FS L2 L3 C2 C3 R2 R3 Bild 2: Quarz-Ersatzschaltbild; L1, C1 und R1 repräsentieren die Grundfrequenz, L2, C2, R2, L3, C3 und R3 die Obertöne 24 hf-praxis 10/2020

Peak & Average POWER SENSORS 10 to 8000 MHz / +20 to -60 dBm Measures Peak & Average Power of CW and Pulse Waveforms Easy Graphical Pulse Profiling For Pulses from 1s to 10µs USB and Ethernet Control (718) 934-4500 sales@minicircuits.com www.minicircuits.com 582 Rev A_P DISTRIBUTORS 582_Rev A_P.indd 1 4/17/20 9:15 AM

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel