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4-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Bild 6: Digitaler Mischer mit vier NAND-Gattern Bild 3: Temperaturkoeffizient der Differenzfrequenz von RKTV und RKOV Bild 4: Pierce- Oszillatorschaltung beiden Frequenzen im Temperaturbereich überkreuzen. Werden beide Quarze der gleichen Temperatur ausgesetzt, dann ergibt sich zwischen ihnen eine resultierende Frequenzdifferenz, wie in der grünen gestrichelten Linie in Bild 2 Bild 5: Zwei-Inverter-Heegner-Schaltung dargestellt. Den Verlauf des Temperaturkoeffizienten dieser Differenzfrequenz zeigt Bild 3. Er ist in diesem Beispiel 15mal größer als der TK(25 °C) des RKTV206 alleine Praktische Anwendung Beide Quarze werden in separaten Oszillatoren betrieben. Zwei Oszillatorschaltungen können dafür empfohlen werden, die “Pierce”-Schaltung mit einem Logikinverter und die „Heegner“-Schaltung mit zwei hintereinander geschalteten Invertern [2]. Pierce-Oszillatorschaltung Die Grundschaltung zeigt Bild 4. Der Widerstand RF wird zur Linearisierung der Übertragungskennlinie des Invertergatters benötigt. Sein typischer Wert liegt bei 1 ~ 10 MΩ für HCMOS-Gatter. Der Serienwiderstand RV ist notwendig, um den Quarz vor Überlastung durch zu hohen Quarzstrom (max. 1 µA) zu schützen, was zu einer permanenten Beschädigung des Quarzes führen könnte. Sein Wert liegt zwischen 47 kΩ und 470 kΩ. Da dieser Widerstand die Schleifenverstärkung reduziert, muss sein Wert sorgfältig ausgewählt werden. Die beiden Kondensatoren CX1 und CX2 liegen im Bereich 4.7 pF bis 10 pF. Die Verbindungen zwischen den Quarzanschlüssen und der Oszillatorstufe müssen kurz sein (maximal wenige cm) und sollen eine geringe Streukapazität nach Masse aufweisen. Zwei-Inverter-Heegner- Schaltung Diese Schaltung besteht aus zwei in Reihe geschalteten Logikinverter-Gattern. Der Quarz ist zwischen dem Ausgang des zweiten Inverters und dem Eingang des ersten Inverters eingefügt. Die Heegner-Schaltung erlaubt etwas längere Quarz-Zuleitungen als die Pierce-Schaltung. In der in Bild 5 gezeigten praktischen Schaltung sind zusätzliche Bauelemente eingefügt, mit denen eine Überlastung des Quarzes und die Anregung von Nebenresonanzen (Obertönen) verhindert werden. D1 und D2 sind Schottky-Dioden, wie BAS40-04 oder ähnliche. Für die anderen Bauelemente werden folgende Werte vorgeschlagen: RF1 = RF2 = 300 kΩ R1 = 5.1 kΩ C1 = 10 pF C2 = 470 pF Dies sind nur Richtwerte und müssen je nach verwendeten Logikgattern gegebenenfalls angepasst werden. Mischerschaltung Zur Erzeugung der Differenzfrequenz zwischen dem RKTV- und dem RKOV-Oszillator wird ein Mischer eingesetzt. Das Ausgangssignal muss mit einem Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von ca. 2 kHz ausgefiltert werden. Eine einfache digitale Mischerschaltung kann mit einem IC mit vier NAND- Gattern gemäß Bild 6 ausgeführt werden. Das R1-C1-Tiefpassfilter in der Schaltung ist nur symbolisch zu verstehen, denn mit einem einstufigen Filter wird nicht genügend Dämpfung der unerwünschten Michprodukte erreicht. Alternativ kann die Mischung auch softwaremäßig im Mikrokontroller erfolgen. Zusammenfassung In dem Bericht wird dargestellt, wie mit relativ einfachen Mitteln mit Miniatur-Temperatursensorquarzen im kHz-Bereich hochauflösende Temperaturmessungen durchgeführt werden können. Literaturhinweise [1] http://axtal.com/Deutsch/ Produkte/Piezosensoren/ Temperatursensoren [2] Neubig, B, Briese W. Das Große Quarzkochbuch, Kap.6, downloadbar auf http:// axtal.com/Deutsch/TechnInfo/ Quarzkochbuch ◄ 12 hf-praxis 4/2016

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