4-2017

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18
Titelstory
Bild 3: Oszillatorschaltkreis mit den an Masse gelegten
Kondensatoren C1 und C2
Bild 4: Berechnungsbeipiel zur Lastkapazität
größe auf dem Quarzblank. Der
ESR-Wert beeinflusst immanent
das Anschwingverhalten eines
Quarzes in der Schaltung.
Eine häufig in der Hardware-Entwicklung
verwendete Methode
zur ersten Einschätzung der
Anschwingsicherheit besteht
darin, ein Potenziometer in Serie
zum Quarz zu schalten, das mindestens
den 5- bis 10-fachen
ESR-Wert des zu vermessenden
Schwingquarzes haben sollte
(Bild 1). Beginnend vom größten
Widerstandswert wird das
Potenziometer solange verstellt,
bis der Quarz zu oszillieren
beginnt. Mit dem ermittelten
Widerstandswert R var des
Potentiometers lässt sich die
Anschwingsicherheit wie im
Berechnungsbeispiel von Bild 2
überschlägig berechnen.
Einfluss der
Lastkapazität
Ein weiterer, überaus wichtiger
Parameter ist die Lastkapazität
des Quarzes, welche unbedingt
zur Auslegung der Oszillatorschaltung
passen sollte. Bei
jeder Abweichung vom Sollwert
schwingt der Quarz nicht mehr
auf der vorgesehenen Nennfrequenz.
Daraus können sich
schnell Frequenzabweichungen
von deutlich mehr als l00ppm
ergeben. Im schlimmsten Fall
kann es durch Aufsummierung
in der Toleranzkette dazu kommen,
dass sich beim Betrieb in
einem weiten Temperaturbereich
von -40 bis +85 °C Quarz und
MCU nicht mehr „verstehen“
und dies zum Ausfall der Schaltung
führt.
Die Lastkapazität setzt sich aus
verschiedenen Komponenten
zusammen und beinhaltet sowohl
die an den beiden Anschlüssen
des Quarzes gegen Masse
geschalteten Kondensatoren C1
und C2 (Bild 3) als auch verschiedene,
üblicherweise unter
der Bezeichnung C stray (Stray-
Capacity) zusammengefasste
Kapazitäten, wie beispielsweise
Streukapazitäten der Leiterplatte
sowie die parasitäre Kapazität
des Oszillator-ICs, an dem der
Schwingquarz angeschlossen
ist. Oft werden kleine SMD-
Bauformen auch mit einer tendenziell
eher kleineren Lastkapazität
spezifiziert (beispielsweise
12 pF), da hierdurch die Werte
der verwendeten Parallel-Kondensatoren
niedriger gewählt
werden können, was sich positiv
auf das Anschwingverhalten des
Schwingquarzes auswirkt. Bild 4
zeigt ein Berechnungsbeispiel
für die Lastkapazität.
Wie bereits beschrieben, kann
der hohe Serienwiderstand von
kleinen Schwingquarzbauformen
bei sehr niedrigen Frequenzen
zu Problemen in der Schaltung
führen. Der Einsatz eines fertigen
Quarzoszillators anstelle
einer diskreten Schwingquarzschaltung
kann hier die bessere
Wahl sein. Eine solche
Komplettlösung ist werksseitig
optimal abgestimmt und garantiert
ein sicheres Anschwingen.
Auch kann es in einigen Fällen
durchaus sinnvoll sein, die
Schaltung vor der Finalisierung
einem Matching-Test zu unterziehen.
Dabei werden in einem
Testaufbau alle Verhältnisse der
Schaltung gemessen und Korrekturvorschläge
hinsichtlich
Anpassung der Lastkapazität
des Quarzes beziehungsweise
Änderungen der extern verwendeten
Parallelkapazitäten C1 und
C2 unterbreitet. Dies hilft unter
anderem bei der Optimierung
von Anschwingsicherheit und
Güte der Oszillatorschaltung.
Etablierte Hersteller, wie auch
einige Distributoren, bieten diese
Dienstleistung in der Regel auch
kostenlos für ihre Kunden an. ◄
hf-praxis 4/2017