../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Quarzgenauer Takt

Wir wissen, dass Uhren mit Quarzen seht ganggenau sind. Wir benötigen in der Elektronik genaue Zeiten um beispielsweise

  • ein nachvollziehbares zeitliches Verhalten zu gewährleisten,
  • das Zeitverhalten von elektronischen Baugruppen zu messen,
  • Uhren zu realisieren.

Im Folgenden betrachten wir, wie wir Takte mit Quarzen erzeugen können.

Sekundentakt

Eine oft genutzte Schaltung stammt aus Uhren mit mechanischem Uhrwerk (Zeigern). Der Sekundenzeiger bewegt sich im Sekundentakt. Gesteuert werden derartige Uhren mit einem kleinen Quarz der meistens in einem Gehäuse mit 2mm Durchmesser und 10mm Länge untergebracht ist.

Ein einfacher CMOS-Baustein erzeugt daraus einen Takt von 2Hz.

Takt-2Hz.png
Bild 1: Quarzgenerator für 2Hz

Bild 1 zeigt die Schaltung eines Quarzgenerators mit einem Uhrenquarz. Der Quarz hat eine Frequenz von 32678Hz. Die Zahl 32678 sieht zunächst ungewöhnlich aus. Sie ist aber einfach nur 2¹⁵.

Der CD4060 enthält eine Schaltung, um eine Frequenz von 32,678kHz mit dem Quarz zu erzeugen. Weiterhin enthält er einen 14-Bit-Binärzähler. Die letzte Stufe liefert 2Hz.

Die Zählstufen des CD4060 beginnen bei Q0. Die Ausgänge Q0, Q1 und Q2 sind nicht herausgeführt.

Die verschiedenen Hersteller des 4060 zählen unterschiedlich, manche beginnen bei Q0 andere bei Q1.

Hinter Q0 haben wir bereits 32678Hz / 2 = 16384Hz, hinter Q1 8192Hz, hinter Q2 4096Hz, hinter Q3 2048Hz usw. Hinter Q13 sind es dann 2Hz. Gäbe es Q14 hätten wir 1Hz.

Einen weiteren Binärteiler können wir leicht mit unseren Wissen aus dem Praktikum Binärzähler aufbauen.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt ein Problem hochgenauer Zeiten:

  • Auch Quarze sind nicht genau genug.

Der Quarzgenerator in Bild 1 kann/muss der Quarz mit einem Trimmkondensator geeicht werden. Zum Eichen brauchen wir ein Eichnormal, in unserem Fall einen hochgenauen Takt von 1Hz :-( Uns bleibt nichts anderes übrig, als mit der Ungenauigkeit von ein paar Sekunden mehr pro Jahr zu leben ;-)

Quarzgeneratoren

Es gibt fertig aufgebaute Quarzgeneratoren oder Quarzoszillatoren. Sie werden beispielsweise in Metallgehäusen geliefert und enthalten den Quarz und den Oszillator. Sie haben meistens eine Genauigkeit von 50ppm oder 100ppm. Es gibt natürlich auch genauere Quarzgenerators. Sie werden auf eine genaue Temperatur gehalten und ... und sind entsprechend teuer.

ppm - Parts Per Million

pro Million

50ppm = 50/1000000

Ein Jahr hat 60*60*24*365 Sekunden, 31536000s.

50ppm bedeuten im Jahr 31536000s * 50 / 1000000 = 31,536 * 50s = 1576.8s Abweichung pro Jahr. Das sind 26 Minuten pro Jahr.

Zum Vergleich: Ein Widerstand mit 1% hat 10000ppm.

Quarzgenerator.png
Bild 2: Quarzgenerator

In Bild 2 werden von einem Quarzgenerator 10MHz erzeugt. Mit zwei BCD-Zählern werden die 10MHz auf 5MHz, 1MHz, 500kHz und 100kHz geteilt. Ein Modul Quarzgenerator ist einfach aufzubauen.

Attention pin

Entkopplungskondensator

Bei hohen Frequenzen ist es unbedingt notwendig, in der Stromversorgung Kondensatoren vorzusehen, die Stromspitzen beim Umschalten in ICs abzufangen. Sie werden in die Nähe des ICs gesetzt. Für einfache ICs reichen 100nF.

Bei modernen komplexen ICs (meistens im SMD-Gehäuse) reicht dieses keineswegs. Lothar Millner beschreibt dieses in Entkopplung.