Aufbau eines Quarzoszillator-Schaltkreises: Praktischer Leitfaden für Ingenieure

Sind Sie Ingenieur oder Hersteller und möchten die Frequenz von Zeitmessung oder die Stabilisierung von Funk-Sendern und -Empfängern verstehen? Dann benötigen Sie ein breites Verständnis eines Quarzoszillator-Schaltkreises mit Lastkapazität. Damit können Sie Projekte wie eine Uhr, die die Zeit trackt, oder Taktsignale realisieren. Quarzoszillator-Schaltkreise finden sich vor allem in HF-Oszillatoren.

In diesem Artikel sprechen wir ausführlich über Quarzoszillatoren.

Was ist ein Quarzoszillator-Schaltkreis?

Quarzoszillator-Diagramm

Quelle: Wikimedia Commons

Einfach ausgedrückt: Ein Quarzoszillator-Schaltkreis ist die elektronische Leiterplatte, die das Bauteil beherbergt, das eine spezifische Frequenz erzeugt. Es ist ein elektronischer Oszillatorschaltkreis, der die mechanische Resonanz eines schwingenden Quarzes nutzt, um eine konstante Frequenz zu erzeugen.

Die Frequenz eines Quarzoszillators kann für Folgendes genutzt werden:

• Zeitmessung in Quarzuhren
• Erzeugung stabiler Taktsignale für digitale ICs
• Stabilisierung und Erhaltung eines breiten Bereichs von Funk-Empfänger- und Sender-Frequenzen

Ein Quarzoszillator basiert stark auf dem inversen piezoelektrischen Effekt oder Elektrostriktion. Der Vorgang tritt auf, wenn sich die Form eines Quarzkristalls in einem elektrischen Feld verändert.

Wie funktioniert der Quarzoszillator?

Der Quarzoszillator nutzt das Prinzip des inversen piezoelektrischen Effekts. Der Resonanzkreis setzt sich zusammen aus Widerstand (innere Reibung der Kristallstruktur), Induktivität (Masse des Kristalls), Kapazität C1 (Kapazität aus mechanischer Formgebung des Kristalls) und Kapazität C2 (Nachgiebigkeit).

Wird ein elektrisches Feld an den Schaltkreis angelegt, erzeugt es mechanische Verformung an bestimmten Materialien. Gleichzeitig entsteht eine Potentialdifferenz über den gegenüberliegenden Flächen des Kristalls.

Gleichermaßen resultiert mechanische Spannung (Piezoelektrischer Effekt), wenn eine Potentialdifferenz an einer Fläche anliegt.

Typischerweise ist Quarz der beste Kristall für diese Schaltung. Er übertrifft die meisten Resonatoren: tragbar, hochstabil, wirtschaftlich, leicht verfügbar und mit gutem Gütefaktor.

Ein piezoelektrischer Kristall kann mechanisch schwingen, wenn er einer geeigneten Wechselspannung ausgesetzt wird. Stimmt die Frequenz der Wechselspannung mit der Eigenfrequenz des Kristalls überein, erreicht die Amplitude der mechanischen Schwingungen ihr Maximum.

Das äquivalente elektrische Ersatsschaltbild erklärt den Betriebsmodus des Kristalls. Der Quarzoszillator besitzt zwei fundamentale Resonanzen: Parallel- und Serienresonanz.

Wie baut man Quarzoszillator-Schaltkreise?

Hier einige Beispiele für Quarzoszillator-Schaltkreise:

1. Quarzoszillator-Schaltungen mit 74LS04

Quarzoszillator mit 74LS04

Quelle: Researchgate © Xiao Chen

Diese Schaltung ist in digitalen Anwendungen weit verbreitet, da sie verschiedene Wellenformen erzeugt. Sie hilft, einen Frequenzbereich als Zeitbasis zu schaffen.

Verwendete Bauteile:

• Quarz mit einem Widerstand
• Kondensator und Widerstand im RC-Oszillator
• LC-Oszillatorschaltung mit Kondensatoren und Drähten

Funktionsprinzip

Diese Schaltung kombiniert zwei Widerstände gleichen Widerstands (1 kΩ bis 4,7 kΩ) mit einem Quarzoszillator-Design (1 MHz bis 10 MHz). Sie arbeitet mit zwei Inverter-Gattern innerhalb von IC1 im Parallelresonanzbetrieb.

Je nach verwendetem Quarz erzeugt die Schaltung eine Ausgangs-Obertonfrequenz-Toleranz von 1 MHz bis 10 MHz. Geringfügige Mängel in der Frequenzstabilität können durch Temperaturschwankungen im Betrieb auftreten, die die Kapazität des Kristalls beeinflussen und Frequenztoleranzen erzeugen. Im Vergleich zu gängigen LC- oder RC-Oszillatoren ist dieser Wert jedoch geringer.

Die Schaltung arbeitet mit niedrigem Stromverbrauch. Daher kann eine konstante 5 V-Versorgung verwendet werden. Ein DC-Regler IC2-78L05 ermöglicht eine stabile Ausgangsspannung bei 9–12 V Eingang.

Kondensatoren C1, C2 filtern den Strom; C2 zieht hohe Frequenzen ab und schützt vor Störungen.

Benötigte Bauteile:

• XTAL1 – Quarz 1 MHz bis 10 MHz
• R1, R2 – 1 kΩ bis 4,7 kΩ (1/4 W ±5 %)
• C3 – 2,2 µF (16 V) Elektrolyt
• IC1 – 74LS04, Inverter-Gatter IV
• C1 – 10 µF (16 V) Elektrolyt
• IC2 – 78L05 (5 V)
• Universelle Lochrasterplatine
• D1 – 1N4001 (1 A 50 V) Diode
• C2 – 0,1 µF (50 V) Polyester

Testen der Schaltung mit TTL 74LS04

Da diese Schaltung günstig und einfach ist, benötigen Sie einen Quarz, einen TTL SN7404 und vier Widerstände. Die Widerstände (R1–R4) biassen die drei Inverter-Gatter in den linearen Bereich, während der Quarz Rückkopplung liefert.

Oszillation erfolgt nur an der Grundfrequenz des Quarzes. Bei 5 Vss sollte das Ausgangssignal eine Rechteckwelle bilden.

2. Oberton-Oszillator

Oberton-Oszillator

Quelle: Researchgate © Peter Pfeifer

Ein Oberton-Oszillator ist nützlich, wenn Standard-Quarzschnitte nicht machbar sind und der Quarzwafer sehr dünn ist. Beispiel: Der Oszillator hat eine abgestimmte Last eines 144-MHz-Senders mit Frequenzquelle.

Die Last hat meist ein ungerades Vielfaches der Grundfrequenz des Kristalls. Daher eignet sich ein Oberton-Oszillator. Die Oberton-Kristalle schwingen bei 11,6 MHz und stimmen auf die 3. Harmonische (34,8 MHz) ab.

Die Primärwindungen betragen 15 mit Ausgangsübertrager (Amidon T-50-6). Die Sekundärwindungen hängen von der angeschlossenen Schaltung ab. Folgt der Ausgang einem weiteren Tripelkreis, dient das Gerät als Quelle für einen 104-MHz-Quarz-Transceiver.

3. CD4060 Quarzoszillator-Schaltung

Quarzoszillator mit CD4060

Quelle: Researchgate

Die Schaltung umfasst IC4013 und IC4060. Sie hat eine Frequenz von ca. 1 Hz oder 2 Hz – geeignet für Standard-Digitaluhren oder normale Uhren. Der IC4060 ist ein einzelner Oszillator und Zähler. Die Frequenz wird durch externen Kondensator und Widerstand bestimmt.

Der IC4060 enthält den Quarz als Standard-Frequenzgenerator. Der Kondensator hilft bei der Periodeneinstellung. Der IC4060 besitzt interne Zählerstufen – mit 2 Hz teilt er am Pin 3. Für Teilung des Taktsignals um zwei wird IC4015 verwendet.

4. Hochfrequenz-Oszillatoren (RF)

HF-Oszillator Schaltungsdesign

Quelle: Researchgate © CCBY

Im Schaltplan fällt der Hauptquarzoszillator in der linken unteren Ecke auf. Dazu ein kleiner 1-W-Leistungsverstärker.

Dieser treibt ein Tiefpassfilter und Anpassungsschaltung an.

Ein Tastformungsschaltkreis schaltet den Oszillator ein und aus – sanftes Starten/Stoppen, Vermeidung von Klickgeräuschen bei Übertragung.

Der FET-Oszillator-Drain-Kreis liefert mehr Leistung und sauberere Wellenform. Die Stromversorgung stammt von einem 40-m-Amateurband-QRP-Morsecode- oder CW-Sender (Mikroschalter).

5. Invertierende Gatter-Oszillatoren

Invertierende Gatter-Oszillatoren

Invertierende Gatter-Oszillatoren gehören zu den einfachsten Oszillatoren. Fast jedes invertierende CMOS-Gatter funktioniert: 74HC14, 4069, 74HC04 etc.

Alle digitalen Gatter haben Verstärkung. Um sie als Verstärker zu nutzen, biast man sie mit einem Widerstand ~1,5 MΩ und höher. Die Schaltung kann 180° Phasenschiebung bieten. Für positive Rückkopplung (360°) und Schwingungsanfang sorgen Kondensatoren für die restliche Phasenschiebung.

Keine Komponente ist kritisch. Kondensatoren C1, C2: 10 pF bis 100 pF. Widerstand R1: 10 kΩ bis 10 MΩ. Werte hängen von Quarzschnitt und Frequenz ab.

Für präzise Werte: C1 als Trimmkondensator ausführen. Andernfalls festen 39 pF-Kondensator verwenden.

Anwendungen des Quarzoszillators

Quarzoszillatoren finden sich in folgenden kritischen Anwendungen:

• Videospiele
• Modems
• Personal Computer
• Automobilanwendungen
• Telekommunikation
• Motorsteuerung
• Digitale Systeme
• GPS-Systeme
• Temperatursensoren
• Kabelfernsehsysteme

Zusammenfassung

Zweifelsohne verschafft tiefgehendes Wissen über Quarzoszillator-Schaltkreise einen erheblichen Vorteil bei der Entwicklung spezifischer elektronischer Geräte – primär DIY.

Deshalb haben wir diesen Artikel geschrieben – um Sie auf Ihrem Weg zum Verständnis von Quarzoszillator-Schaltkreisen zu unterstützen.

Gerne beantworten wir Ihre Fragen zu diesem Artikel. Kontaktieren Sie uns – wir melden uns schnellstmöglich.