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


Mit Quarzen erzeugen wir genaue Takt-Signale


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Quarzgenauer Takt


Quarzgenauer Takt

Wir wissen, dass Quarzuhren sehr genau sind. In der Elektronik brauchen wir genaue Zeiten, um zum Beispiel

  • 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 meistens in einem Gehäuse von 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 32768. Die Zahl 32768 erscheint zunächst ungewöhnlich. Sie ist aber einfach nur 2¹⁵.

Der CD4060 enthält eine Schaltung, um mit dem Quarz eine Frequenz von 32,768kHz zu erzeugen. Außerdem 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. Einige beginnen bei Q0 andere bei Q1.

Hinter Q0 haben wir bereits 32768Hz / 2 = 16384Hz, hinter Q1 8192Hz, hinter Q2 4096Hz, hinter Q3 2048Hz usw. Hinter Q13 haben wir dann 2Hz. Gäbe es Q14, hätten wir 1Hz.

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.

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 mit 1Hz :-( 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 z.B. in Metallgehäusen geliefert, die den Quarz und den Oszillator enthalten. Sie haben meistens 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.

Quarzgenerator.png
Bild 2: Quarzgenerator

In Bild 2 werden 10MHz durch einen Quarzgenerator 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, 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 100nF.

Bei modernen komplexen ICs (meistens in SMD-Gehäusen) reicht bei weitem nicht aus. Lothar Millner beschreibt dieses in Entkopplung.