Quarzgenauer Takt
Wir wissen, dass Quarzuhren sehr genau sind. In der Elektronik brauchen wir genaue Zeiten, um z. B.
- ein reproduzierbares Zeitverhalten zu gewährleisten,
- das Zeitverhalten von elektronischen Baugruppen zu messen und
- Uhren zu realisieren.
Im Folgenden untersuchen wir, wie wir mit einem Quarz einen genauen Takt erzeugen können.
Sekundentakt
Eine häufig verwendete Schaltung stammt von Uhren mit mechanischem Uhrwerk (Zeigern). Der Sekundenzeiger bewegt sich im Sekundentakt. Solche Uhren werden von einem kleinen Quarz gesteuert, der meist in einem Gehäuse von 2 mm Durchmesser und 10 mm Länge untergebracht ist.
Ein einfacher CMOS-Baustein erzeugt daraus einen Takt von 2 Hz.
Bild 1 zeigt die Schaltung eines Quarzgenerators mit einem Uhrenquarz. Der Quarz hat eine Frequenz von 32768 Hz. Die Zahl 32768 erscheint zunächst ungewöhnlich. Sie ist aber einfach nur 2¹⁵.
Der CD4060 enthält eine Schaltung, um mit dem Quarz eine Frequenz von 32,768 kHz zu erzeugen. Außerdem enthält er einen 14-Bit-Binärzähler. Die letzte Stufe liefert 2 Hz.
Die Zählstufen des CD4060 beginnen bei Q0. Die Ausgänge Q0, Q1 und Q2 sind nicht herausgeführt.
Die verschiedenen Hersteller des 4060 zählen unterschiedlich. Einige beginnen bei Q0, andere bei Q1.
Hinter Q0 haben wir bereits 32768 Hz / 2 = 16384 Hz, hinter Q1 8192 Hz, hinter Q2 4096 Hz, hinter Q3 2048 Hz usw. Hinter Q13 haben wir dann 2 Hz. Gäbe es Q14, hätten wir 1 Hz.
Einen weiteren Binärteiler können wir leicht mit unserem Wissen aus dem Praktikum Binärzähler aufbauen.
Die Schaltung in Bild 1 zeigt ein Problem bei hochgenauen Zeiten:
- Selbst Quarze sind nicht genau genug.
Beim 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 mit 1 Hz 
Uns bleibt nichts anderes übrig, als mit der Ungenauigkeit von ein paar Sekunden mehr pro Jahr zu leben 
Quarzgeneratoren
Es gibt fertige Quarzgeneratoren. Sie werden oft in DIL-Metallgehäusen geliefert, die den Quarz und den Oszillator enthalten. Sie haben meist eine Genauigkeit von 50ppm oder 100ppm. Natürlich gibt es auch genauere Quarzgeneratoren. Sie werden auf eine bestimmte Temperatur gehalten und ... und sind dementsprechend teuer.
ppm - Parts Per Million
pro Million
50ppm = 50/1000000
Ein Jahr hat 60*60*24*365 Sekunden, 31536000s.
50ppm bedeutet in einem Jahr 31536000s * 50 / 1000000 = 31,536 * 50s = 1576,8s Abweichung pro Jahr. Das sind 26 Minuten pro Jahr.
Zum Vergleich: Ein Widerstand von 1 % hat 10000ppm.
In Bild 2 werden 10 MHz durch einen Quarzgenerator erzeugt. Mit zwei BCD-Zählern werden die 10 MHz auf 5 MHz, 1 MHz, 500 kHz und 100 kHz geteilt. Ein Modul Quarzgenerator ist einfach aufzubauen.
Entkopplungskondensator
Bei hohen Frequenzen ist es unbedingt notwendig, Kondensatoren in der Stromversorgung vorzusehen, um die Stromspitzen beim Umschalten in ICs abzufangen. Sie werden in die Nähe des ICs gesetzt. Bei einfachen ICs genügen 100 nF.
Bei modernen komplexen ICs (meist in SMD-Gehäusen) reicht das bei Weitem nicht aus. Lothar Millner beschreibt dies in Entkopplung.