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HF-Praxis 4/2014

Messtechnik Test und

Messtechnik Test und Anwendung von Quarzoszillatoren Methoden zur Prüfung und Messung von Quarzoszillatoren sind im IEC Standard 60679-1 und in der Vorschrift MIL- PRF-55310 beschrieben. Dieser Beitrag gibt einen Überblick. Umgang mit ESDs ESD steht für Electrostatic Sensitive Device. Darunter fallen Quarzoszillatoren. Daher sollte man ein direktes Berühren der Anschlüsse mit dem Finger vermeiden. Nähere Umgangsregeln sind in den Standards IEC 61340-5-1 und EN 100015-1 festgelegt. Verstöße können zu Betriebseinschränkungen und schlimmstenfalls zur inneren Zerstörung des Bauteils führen. Die Quarzoszillatoren von Axtal entsprechen, wie die Modelle vieler anderer Hersteller auch, dem Human Body Model (HBM) gemäß IEC 61000-4-2. Bild 1: Logische Zustände und Zeiten, definiert an einem Rechtecksignal Handhabung Beim manuellen wie auch automatisierten Umgang mit Quarzoszillatoren sind mechanische Stöße, Erschütterungen und Schocks zu vermeiden. Falls solche Einflüsse, wie etwa ein Herabfallen, nicht ausgeschlossen werden konnten, muss man den Quarzoszillator vor Anwendung ausreichend auf seine Funktion hin überprüfen. Spannungsversorgung Um undefinierte Potentialanhebungen zu vermeiden, sollte erst dann die Betriebsspannung angelegt werden, wenn alle anderen Anschlüsse definiert beschaltet wurden. Ein Einstecken oder Einsetzen in eine bereits spannungsführende Umgebung („hot plugin“) muss vermieden werden. Eine falsche (zu hohe) oder verpolte Betriebsspannung kann einen Quarzoszillator dauerhaft zerstören. Es wird dringend empfohlen, die Betriebsspannung direkt am Oszillator mit zwei Kondensatoren auf kürzestem Wege gegen Masse abzublocken. Kapazitätswerte (Kondensatortypen) von 10 nF (X7R) und 100 pF (C0G) sind meist sehr gut geeignet. Zusätzlich kann man noch etwas weiter entfernt einen Bulk-Kondensator im Mikrofaradbereich vorsehen. Die Basis für bestmögliche Erfolge ist eine Multilayer-Platine mit einer möglichst großen Massefläche. Falls ein besonders geringes Phasenrauschen des Oszillators gefordert wird, so Bild 2: Zur Beschaltung eines TTL- Ausgangs muss man eine Spannungsversorgung mit besonders geringem Eigenrauschen und geringer Anfälligkeit auf Störungen vorsehen. Eine solche ist praktisch immer dann gegeben, wenn man sich für eine separate Batterie entscheidet. Der Oszillatorausgang Der Oszillatorausgang ist für optimale Funktion mit der im Datenblatt vorgeschriebenen Last abzuschließen. Wird ein Sinussignal geliefert, so wird normalerweise eine niederohmige reaktanzfreie Last gefordert, meist 50 Ohm. Man bringe diese möglichst nahe oder über ein 50-Ohm-Koaxialkabel an den Oszillator. Wenn das Ausgangssignal – etwa mit einem Oszilloskop oder Frequenzzähler – überwacht werden soll, so greife man zu einem Power Splitter. Auch dabei ist natürlich auf Widerstandsanpassung zu achten. Eine Optimierung kann mit einem Dämpfungsglied von z.B. 10 dB erfolgen. Bild 1 skizziert die üblichen Definitionen an einem Rechtecksignal. Bild 2 zeigt Verhältnisse bei der Beschaltung eines TTL-Ausgangs. C L kann mit 5 pF pro Gatter (fanout) veranschlagt werden und schließt auch die Eingangskapazität des Messgeräts mit ein. Bei einem (H)CMOS- oder LVCMOS- Ausgang ist nur C L relevant, siehe Bild 3. Bild 3: CL an einem (H)CMOS- oder LVCMOS-Ausgang Hier ist nun aber ein Wert von 15 bis 50 pF zu veranschlagen, je nach Spezifikation. Auch dabei ist die Messgerät-Eingangskapazität mit eingeschlossen. Bild 4 zeigt die Signale zweier komplementärer Rechteckausgänge. In Bild 5 wird die Beschaltung eines PECL-Ausgangs dargestellt, während Bild 6 den einfaches Abschluss eines LVDS- Ausgangs zeigt. Grundsätzlich sollte man wissen, dass Koaxialkabel mit von der Last abweichendem Wellenwiderstand eine Reflexion an der Last hervorrufen. Daher kehrt ein Teil der Leistung aus dem Oszillator in diesen zurück. Dadurch kann es zu einer unerwünschten Belastung des Oszillators kommen. Wenn zudem die Ausgangsimpedanz des Oszillators nicht mit dem Wellenwiderstand übereinstimmt, wird die rücklaufende Leistung teilweise auch am Oszillator reflektiert. Das ruft bei Rechtecksignalen in aller Regel eine von der gewünschten Rechteckform abweichende Signalform an der Last hervor. Elektronische Frequenzeinstellung Einige moderne Quarzoszillatoren ermöglichen eine Electronic Frequency Control (EFC). Bei Nutzung dieses Features muss man für ein stabiles und ungestörtes Steuersignal sorgen. Niemals darf der EFC-Ein- 38 hf-praxis 4/2014

Bild 4: Die Signale zweier komplementärer Rechteckausgänge Bild 5: Beschaltung eines PECL-Ausgangs Bild 7: Einstellregler am Anschluss V C REF gang offen bleiben. Außerdem sollte der Wirkungsbereich der EFC genau festgelegt und sorgfältig getestet werden. Bei Nutzung einer externen Steuerspannung kommt es darauf an, Masseschleifen zu vermeiden, da in diese störende Spannungen (z.B. 50 Hz) induziert werden könnten. Der Steuergleichspannung überlagertes Rauschen führt zu einer Erhöhung von Rauschen und Jitter im Oszillator-Ausgangssignal. Daher sollte man für besonders geringes Rauschen und besonders wenig Jitter die Steuerspannung von einer Batterie abnehmen. Wird die Frequenz über ein Potentiometer am EFC-Eingang beeinflusst (Bild 7), so sollte der Widerstand dieses Potentiometers mindestens fünfmal geringer sein als der Eingangswiderstand am Pin V C EFC . Bild 6: Einfacher Abschluss eines LVDS-Ausgangs Besonders stabile Oszillatoren (TCXO und OCXO) verfügen über einen separaten Referenzspannungs-Ausgang, um das Einstellpotentiometer zu versorgen. Die Referenzspannung hat geringes Rauschen und eine hohe Temperaturstabilität, da ihre Aufbereitung in die interne Temperaturstabilisierung mit aufgenommen wurde. Man muss hier allerdings darauf achten, dass die Belastung des Ausgangs durch das Potentiometer/den Einstellregler den Vorgaben im Datenblatt entspricht. Normalerweise sollte ein Strom von 1 mA nicht überschritten werden. Grundsätzlich ist für geringstes Rauschen ein Abblocken des Steuereingangs zu empfehlen. Auch kann ein RC-Tiefpass vorgeschaltet werden. Test der Temperaturstabilität Man bringt den Oszillator zunächst unversorgt, aber mit der Last abgeschlossen in eine Temperaturkammer. Dann legt man die nominelle Betriebsspannung an. Handelt es sich um einen VCXO oder VC-TCXO, so sollte daraufhin eine Steuerspannung gemäß der Spezifikationen angelegt/eingestellt werden. Der Oszillator sollte einer moderaten Luftzirkulation von 2 bis 3 m/s ausgesetzt sein. Die Geschwindigkeit der Temperaturänderung sollte 5 K/min für PXOs und VCXOs und 1 K/min für OCXOs sowie ähnlich intern temperatursensible Oszillatoren nicht überschreiten. Die Kammer sollte es erlauben, die Temperatur auf einem bestimmten Wert konstant zu halten. Somit ist es möglich, die Temperaturstabilität bei Temperaturänderung und die Stabilität bei konstanter Umgebungstemperatur zu messen. übersetzt aus Axtal Application Note AXAN.011, Rev. 2.1 hf-praxis 4/2014 39 39

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