Für Oszillatoren mit besonders hoher Frequenzkonstanz wird als Resonator ein Schwingquarz verwendet, da er sich elektrisch, nahe seiner Resonanzfrequenz, wie ein Schwingkreis mit hoher Güte (Q = 104 bis l06) und gerin­ger Dämpfung verhält. Ein Quarzoszillator besteht aus reinem Siliziumdioxid (SiO2) und wird als Scheibe, Band oder Bälkchen aus einem Quarzkristall herausgeschnit­ten. Die Schwingfrequenz wird dabei von verschiedenen Kriterien bestimmt, wie z.B. Schnittlage, Dicke der Quarzscheibe, Gehäuse, Temperatur und Spannung.

Die Wirkung des Schwingquarzes beruht auf dem piezo­elektrischen Effekt. An gegenüberliegenden Flächen des Quarzkristalls treten elektrische Ladungen auf, wenn man den Kristall mechanisch deformiert. Setzt man umgekehrt die Quarzscheibe einem elektrischen Feld aus, so erfährt die Quarzscheibe eine Formänderung (reziproker piezo­elektrischer Effekt), die sich als sehr schwach gedämpfte periodische Schwingung fortsetzt. Das Kristallplättchen führt dann als ein in sich elastisches und massenhaftes Gebilde mechanische Schwingungen mit seiner Eigenfre­quenz aus. Bedingt durch den Piezoeffekt tritt eine oszillierende Spannung an den Elektroden auf.

Der Quarzschnitt ist die durch Buchstaben gekennzeichne­te Lage eines herausgeschnittenen Plättchens zu den Quarzachsen (Bild 1).

 

  

Diese Schnitte beeinflussen stark die Resonanzfrequenz und das Temperaturverhalten der Quarze. Je nach Schnittlage der Quarzscheibe zu den Kristallachsen x, y und z tritt außerdem eine bestimmte Schwingungsform auf. Dazu gehören die ,,Dickenscher­schwingung" beim AT-Schnitt und die ,,Flächenscher­schwingung" beim CT- oder DT-Schnitt (Tab. 1).

 

Der AT-Schnitt deckt Frequenzen von 800 kHz bis 360 MHz ab. Hierzu ist anzumerken, dass ab etwa 24 MHz Oberton­quarze verwendet werden. Das bedeutet, dass Quarze nicht nur auf ihren Grundfrequenzen schwingen können sondern auch auf ihren ungradzahligen Vielfachen. Gebräuchliche Oberwellenschwingungen sind die 1., 3., 5., 7. und 9. Oberwelle. 

Alle Kristalle haben eine Frequenz-Temperatur-Charak­teristik, die von der Art des Quarzschnittes vorgegeben ist (Bild 2).

 

Die Frequenzstabilität wird immer auf einen Temperatur­bereich bezogen, meist -20°C bis +70°C und beträgt typ. ±50 bis ±100 ppm (parts per million = 10-6).

Der AT-Schnitt zeigt dabei die beste Frequenzstabilität bezogen auf diesen Temperaturbereich. Durch eine geeig­nete Wahl des Quarzschnittwinkels kann die Frequenzabweichung zudem besonders kleingehalten werden (Bild 3).

 

                                                                                                               

Die Dicke der Quarzscheibe bestimmt ebenso direkt die Frequenz. Je dünner die Scheibe geschnitten bzw. geschliffen wird, desto höher ist die Schwingfre­quenz. Für einen AT-Schnitt-Quarz, der eine Grundfre­quenz von 40 MHz hat, darf die Scheibe z. B. nur 42 um dick sein. Frequenzabweichungen sind auf Ungenauigkei­ten im Schleifprozess zurückzuführen. Sie sind jedoch äußerst gering und liegen bei typ. ±30 bis ±50 ppm.

Frequenzabweichungen bezogen auf die Alterung liegen bei typ. 13 bis 15 ppm im Jahr.

Das eigentliche Schwingelement, die Quarzscheibe, wird im Gehäuse schwingungsfähig auf einem Sockel befestigt. Zum elektrischen Anschluss hat der Quarz auf beiden Seiten dünne Metallelektroden aufgedampft. Wichtig ist, dass die Scheibe hermetisch durch eine Ge­häusekappe verschlossen wird. Entweder befinden sich im Gehäuse Schutzgas oder ein Vakuum. Jede störende Einwirkung auf die mechanischen Schwingungen des Kristalls lässt seinen Serienwiderstand R1 ansteigen und Q abnehmen. Das kann durch Gas oder Luft in der Ver­schlusskappe hervorgerufen werden oder durch akusti­sche Reflexionen von Ultraschallwellen, die durch den vibrierenden Kristall ausgelöst, vom Gas zu den Gehäusewänden transportiert und von dort zurückgeworfen wer­den. Diesen Effekt kann man durch ein Vakuum in der Verschlusskappe verhindern. Die Aufhängung und Befesti­gung des Kristalls ist ebenfalls Bestandteil des Resonanzsystems und muss sorgfältig entworfen werden.

Die Länge der Anschlussdrähte darf nur ein ungeradzahliges Vielfa­ches von 1/4 der Wellenlänge betragen, um gegenphasi­ge Resonanzen, die mit den Kristallschwingungen interferieren würden, zu vermeiden.

Auch der Verschlussart kommt Bedeutung zu. Eine Möglich­keit ist das einfache Zusammenlöten von Kappe und Boden. Hierbei treten aber Flussmitteldämpfe ins Gehäuseinnere ein. Unreinheiten sind aber zu vermeiden, weil Ablagerungen auf der Quarzscheibe maßgeblich die Fre­quenzstabilität beeinflussen können. Aus diesem Grund wird meist die Strom- oder Widerstandsverschweißung an­gewendet. Hierbei werden Kappe und Bodenteil zusammengepresst und mit einem Stromimpuls verschweißt.

Dadurch erklären sich auch die Unterschiede in den Bezeichnungen der Gehäuse. Beispielsweise haben die Typen HC 18 und HC 49 äußerlich die gleichen Gehäuse­abmessungen, sie unterscheiden sich aber dadurch, dass der Typ HC 18 zusammengelötet und der Typ HC 49 stromverschweißt ist. Im allgemeinen werden aus Handhabungs- und Kostengründen Metallgehäuse eingesetzt. Ein Nachteil ist jedoch, dass sich im Laufe der Zeit aus der Metallkappe Stoffe lösen und auf dem Quarzkristall niederschlagen können, wodurch sich die Frequenz gering­fügig ändern kann. Will man diesen Effekt umgehen, müs­sen Glaskappen anstelle von Metallkappen verwendet werden. Nachteilig ist hierbei der wesentlich höhere Preis.

Das elektrische Verhalten eines Schwingquarzes in der Nähe seiner Resonanzfrequenz kann durch ein einfaches Ersatzschaltbild verdeutlicht werden (Bild 4).

 

 Dabei hängen die Größen C1 und L1 von den Abmessun­gen des Quarzes ab. Der Widerstand R1 berücksichtigt die Verluste (Dämpfung) und C0 steht für die statische Parallelkapazität (Beläge und Anschlussdrähte). Ein Quarz­kristall kann in Serien- und Parallelresonanz betrieben werden. Bei Parallelresonanz (fs) geht der Widerstand des Quarzes gegen R1 und in Serienresonanz (fs) gegen unend­lich.

Die wichtigste Angabe bei einem Quarz ist daher die Nennfrequenz. In den meisten Fällen ist dies die Parallelresonanzfrequenz, wobei auch die Lastkapazität CL ange­geben wird. Mit dieser Lastkapazität kann man die Her­stellungstoleranzen ausgleichen. Es ist sinnvoll, den Ziehkondensator als Trimmer auszulegen. Der Ziehbereich ist allerdings sehr gering und durch fP bis fS begrenzt, da die Lastkapazität fP reduziert.

Die Lastkapazität CL kann parallel oder in Reihe zum Quarz geschaltet werden. Im ersten Fall verschiebt man die Parallel-Resonanzfrequenz, im zweiten Fall die Reihenresonanz-Frequenz.

Wichtig ist, dass die entstehende Lastkapazität CL in beiden Fällen den gleichen Wert aufweist. Wird keine Lastkapazität angege­ben, kann man davon ausgehen, dass die Nennfrequenz die Reihenresonanz des Quarzes ist. Wird die Schwingfrequenz durch Ziehkondensatoren verändert, so hängt die Frequenzgenauigkeit und Konstanz auch von diesen Zu­satzelementen ab und die elektrischen Eigenschaften des Quarzes verschlechtern sich. Die besten Werte er­zielt man daher ohne Veränderung der Eigenfrequenz, wenn der Quarz in Serienresonanz arbeitet, also nur von seinen mechanischen Abmessungen bestimmt ist.

 

Ebenso muss auf die Strombelastung des Quarzes geach­tet werden. Während des Betriebes tritt am Widerstand R1 eine Verlustleistung auf, die den Quarz erwärmt. Das führt zu einer Frequenzänderung. Soll sie vernachlässig­bar bleiben, muss die Verlustleistung gering gehalten werden (typ. 0,5 bis 2 mW). Die Werte für die Strombelastung liegen ca. bei:

            I < 50 mA                   bei Biegungsschwingern 

            I < l mA                      bei Längs- und Flächenscherschwingern

            I < 3mA/MHz            bei Dickenscherschwingern

Um einen Quarz zum selbstschwingenden Oszillator zu bauen, bedarf es einer schwingfähigen Schaltung (Bild 5).

 

Dazu benötigt man einen Verstärker in Verbindung mit einem frequenzbestimmenden Rückkopplungsnetzwerk (Quarz). Wegen der besseren Frequenzstabilität ist es zweckmäßig, den Quarz in Serienresonanz zu betreiben. Mit der Einschaltflanke wird der Quarz auf seine Nennfre­quenz angestoßen. Infolge der Verstärkung werden die Schwingungsverluste ausgeglichen und die Schaltung schwingt dauerhaft und liefert eine sinusförmige Span­nung. Soll eine rechteckförmige Spannung erzeugt wer­den, so muss eine Amplitudenbegrenzung vorgesehen werden.

Der einfachste Oszillator wird PXO (Package Crystal Oscil­lator) bezeichnet. Die Frequenzstabilität bei Arbeitstemperatur entspricht in etwa der des Quarzes und beträgt 150 ppm bei -20°C bis +70°C. Der TCXO (Temperature Com­pensated Crystal Oscillator) hingegen hat nur eine Fre­quenzabweichung von 12 ppm bei gleichem Temperaturbereich.

Erreicht wird dies mit passiver Kom­pensation, wobei über einen temperaturabhängigen Widerstand eine Kapazitätsdiode beeinflusst wird. Diese verändert ihre Kapazität so, dass sie dem im Bild 3 darge­stellten Temperaturverhalten des Quarzes entgegenwirkt. Als Anschlüsse hat er wie der PXO lediglich Versorgungs­spannung, Masse und Frequenzausgang. Mit einer Ein­stellschraube lässt sich die Nennfrequenz um min. 13 ppm justieren. Die Versorgungsspannung kann +5 V oder +12 V betragen. Die möglichen Frequenzen sind weit gefächert und können 1 bis 60 MHz betragen. Bei den höher­frequenten Oszillatoren handelt es sich in der Regel um eine sinusförmige Ausgangsspannung. Die beste Fre­quenzstabilität lässt sich jedoch mit einem OCXO (Oven Controlled Crystal Oszillator) erreichen: Max. 0,1 ppm bei -10°C bis +60°C. Mit der richtigen Wahl des Schnittwin­kels legt man die Temperaturkoeffizientenkurve fest. So schneidet die Kurve bei einem Schnittwinkel von 35° die Nullachse. Wird der Quarzoszillator nun mit Hilfe eines Thermostaten genau bei dieser Temperatur betrieben, so ist die Frequenzabweichung nahezu Null. Die Restungenauigkeit ergibt sich aus der Schalthysterese des Thermo­staten. Da sich in dem Oszillatorgehäuse eine elektrische Heizung befindet, bringt dies auch Nachteile mit sich. Die Leistungsaufnahme ist hoch und kann wäh­rend der Heizphase 6 bis 8 W betragen. Außerdem wird eine bestimmte Einlaufzeit benötigt, bis der Arbeitspunkt erreicht wird. Eine Feinjustierung ist auch hier möglich (min 11,5 ppm). Wenn aber die Frequenz veränderbar sein soll, muss ein VCXO (Voltage Controled Crystal Oscil­lator) verwendet werden. Hier kann mit Hilfe des integrier­ten Ziehwerks die Nennfrequenz um 50 ppm verändert werden. Der Anwender betätigt auch hier wieder nur einen Trimmer. Die Frequenzstabilität beträgt dabei 15 ppm bei -10° bis +50°C und kommt dem TCXO schon recht nahe.

Eine ganz andere Problematik stellt sich bei Systemen, die Wahlmöglichkeit verschiedener Fre­quenzen ermöglichen müssen, z. B. bei Datenübertra­gungssystemen mit verschiedenen Baud-Raten. Während bei der traditionellen Lösung nur eine Frequenz (Takt) zur Verfügung stand, die hardwaremäßig mit Hilfe eines Baud­ratenteilers verändert werden konnte, bieten Mehrfrequen­zoszillatoren kompaktere Lösungen (Bild 6).

 

                                 

Die Grundfrequenz des Oszillators wird direkt auf den Aus­gang F (Fundamental) und auf den Teiler geführt. Im Tei­ler wird die Frequenz 8mal durch zwei geteilt und jeweils auf den Auswahlblock geführt. Von dort aus wird, in Ab­hängigkeit des an den Eingängen A,B und C angelegten 3-Bit-Datenwortes, die jeweilige Frequenz an den Ausgang D gelegt. Wird beispielsweise an A, B und C ein High ­Signal angelegt, dann wird die Grundfrequenz durch 256 geteilt und ausgegeben.

 

Der ST-Eingang (Standby Terminal) dient als Freigabe. Ist ST High, dann arbeitet der Baustein wie beschrieben. Wenn er jedoch Low ist, dann liegen die Frequenzausgän­ge F und D ebenfalls auf Low. Eingebaut ist der Mehrfre­quenzoszillator in ein 8-poliges DIL-Gehäuse und kann mit 3 bis 6V Betriebsspannung betrieben werden.