Hobby-Elektronik: Quarzoszillatoren, Anwendungsschaltungen

Bild 1 zeigt drei COLPITTS-Quarzoszillatoren für Grundtonquarze etwa 500 kHz bis 20 MHz. Bild 1a: Oszillator in Emitterschaltung, der der Prinzipschaltung von Bild 3aa auf der vorhergehenden Seite entspricht. Bild 1b,c: Häufiger wird der Oszillator in Kollektorschaltung (Kollektor wechelspannungsmäßig an Ground) verwendet. Der Colpitts-Oszillator gilt als besonders betriebszuverlässig und unempfindlich gegen die Bauteildimensionierung. Man sollte sich daher nicht an die angegebene Dimensionierung klammern und eigene Werte ausprobieren. Für optimale Ausgangsspannung sollte man insbesondere R1 zunächst als Trimmer ausbilden und auch C1, C2, C3 variieren. Abweichend von der angegebenen Dimensionierung (Bild 1b) geben andere Autoren an, C2 etwa 1 bis 3x so groß wie C1 zu wählen. Ein Oszilloskop zur Hand zu haben, ist natürlich von Vorteil, zur Not kann man die relative Größe der Ausgangsspanung auch mit einem Digitalvoltmeter im Wechselspannungbereich messen.

Bild 2: Eine Abart des Colpitts-Oszillators ist der PIERCE-Oszillator für Grundtonquarze etwa 50 kHz bis 20 MHz, der ebenfalls als sehr betriebszuverlässig gilt. Bild 2a zeigt einen diskreten Aufbau, darunter die Dimensionierung für verschiedene Quarzfrequenzen. Bild 2b die Variante mit einem Mosfet.
Häufig findet man den Pierce-Oszillator in Verbindung mit digitalen Logik-Bausteinen (Bild 2c). Die Summe von C1+C3 ist etwa gleich groß wie C2 zu wählen. Man beachte, daß (C1+C3) in Reihe mit C2 geschaltet und diese Reihenschaltung parallel zum Quarz liegt. Es gilt also für die Lastkapazität CL des Quarzes CL = (C1+C3) x C2/(C1+C3 + C2).

Frequenzabstimmung. Die Frequenz des Quarzes ist keine lineare Funktion des Lastkondensator-Wertes CL, sondern eine durchhängende Kurve (Bild links). Zu jedem Quarz gehört ein CL-Wert (10 bis 50pF) im mittleren Teil (als Ziehbereich bezeichnet) der Kurve, auf den die Quarzfrequenz abgestimmt ist. Der CL-Wert ist auf dem Quarz angegeben oder man muß ihn durch Ausprobieren ermitteln. Dem Hobbybastler stehen aber kaum die Meßmittel zur Verfügung, falls unbekannt, den richtigen CL-Wert zu ermitteln und die genaue Frequenz einzustellen. In den meisten Anwendungs-Fällen kommt es ja auch nicht auf die Absolutgenauigkeit der Frequenz an. Anders allerdings z.B. bei einer Quarzuhr :
Ich betreibe eine Digitaluhr MM5387 (siehe Seiten Digitaluhren) statt mit der Netzfrequenz mit einem 5 MHz-Oszillator, dessen Frequenz auf den Takteingang der Uhr (50 Hz) heruntergeteilt ist. Durch Vergleich der Sekundenanzeige der Uhr mit der Sekundenanzeige einer Funkuhr läßt sich der Oszillator genau einstellen. Man erreicht mit einem guten Quarz eine Ganggenauigkeit mit einer Abweichung von nur ca. 1 sec pro Monat. Übliche einfache Quarzuhren sollen etwa 10 bis 20 sec Abweichung pro Monat haben. Auch die Netzfrequenz schwankt kurzzeitig mit Abweichungen bis etwa 20 sec, wird aber langfristig wieder auf genauere Werte nachgeregelt.

 
Bild 3a) zeigt den zweistufigen BUTLER-Oszillator, der für relativ niedrige Quarzfrequenzen 50 bis 800 KHz geeignet ist. Er soll einen vergleichsweise großen Ziehbereich haben. Der 1kOhm-Kollektorwiderstand kann evtl. zweckmäßig durch einen abgestimmten Schwingkreis ersetzt werden. Bild 3b) zeigt einen quarzstabilisierten Multivibrator. Auch andere Dimensionierung der Widerstände ausprobieren ! Bei allen Schaltungen (auch von Bild 2) Keramik-Kondensator 100nF von +Ub nach Masse (Ground GND) legen !
Für Frequenzen oberhalb ca. 30 MHz werden Obertöne der Quarze durch geeignete zusätzlich in die Schaltung eingesetzte Schwingkreise ausgefiltert. Auf Schaltbeispiele wird hier nicht eingegangen.
(30.10.2010)