Quarzoszillator (Pierce)

Ein RC-Oszillator weicht schnell um einige Prozent ab, ein NE555 als Taktgeber immer noch um ein Prozent. Für eine serielle Schnittstelle, eine Uhr oder einen Frequenzzähler ist das viel zu ungenau. Hier braucht es einen Schwingquarz: Er hält seine Frequenz auf 20 bis 50 ppm genau, also auf wenige Tausendstel Prozent. Die Schaltung, mit der praktisch jeder Mikrocontroller seinen Quarz zum Schwingen bringt, ist der Pierce-Oszillator: ein invertierender Verstärker, ein Quarz und zwei kleine Kondensatoren.

Im Mikrocontroller steckt der Verstärker schon im Chip, du lötest nur Quarz und Kondensatoren an. Wenn du den Pierce-Oszillator einmal selbst mit einem Logik-Inverter aufgebaut hast, verstehst du, warum er manchmal nicht anschwingt und was die Lastkapazität im Datenblatt des Quarzes bedeutet. Hier entsteht ein 8-MHz-Takt mit dem 74HCU04 an 5 V.

Schaltplan

• IC1A, 74HCU04: ein ungepufferter CMOS-Inverter (Logik-IC). Er ist der Verstärker und dreht die Phase um 180°.
• RF, 1 MΩ: setzt den Inverter in seinen Linearbereich. Ein- und Ausgang liegen dadurch im Mittel beide bei etwa 2,5 V.
• Q1, 8 MHz: Grundtonquarz im HC-49-Gehäuse, spezifiziert für eine Lastkapazität von 18 pF.
• C1, C2, 27 pF: die Lastkondensatoren, Keramikkondensatoren mit C0G-Dielektrikum. Sie bilden mit dem Quarz das Rückkopplungsnetz.
• RS, 1 kΩ: begrenzt die Leistung im Quarz und dämpft Oberwellen.
• IC1B: ein zweiter Inverter desselben ICs als Puffer. Jede Last am Taktausgang würde sonst die Frequenz verschieben.
• Versorgung: Pin 14 an +5 V, Pin 7 an Masse, 100 nF direkt dazwischen. Die übrigen vier Eingänge legst du an Masse.

So funktioniert die Schaltung

Damit eine Schaltung schwingt, muss das Signal nach einem Umlauf durch Verstärker und Rückkopplung wieder mit derselben Phase und mindestens derselben Amplitude ankommen. Der Inverter liefert 180° Phasendrehung. Die anderen 180° kommen aus dem π-Glied aus C2, Quarz und C1.

Das klappt nur in einem schmalen Frequenzbereich knapp oberhalb der Serienresonanz des Quarzes. Dort verhält sich der Quarz wie eine Spule mit enormer Güte, und mit C1 und C2 bildet er einen Schwingkreis, dessen Phase sich mit der Frequenz extrem steil ändert. Weicht die Frequenz auch nur um einige ppm ab, stimmt die Phasenbedingung nicht mehr. Deshalb ist der Takt so stabil: Er hängt fast nur von der mechanischen Resonanz des Quarzplättchens ab, kaum von Inverter, Versorgung und Temperatur.

Beim Einschalten verstärkt der Inverter nur das Rauschen. Weil die Schleifenverstärkung über 1 liegt, wächst die Schwingung innerhalb einiger Millisekunden an, bis der Inverter übersteuert und die Amplitude begrenzt. Am Eingang siehst du dann einen fast sinusförmigen Verlauf von einigen Volt Spitze-Spitze, am Ausgang von IC1B ein sauberes Rechteck.

Dimensionierung

1. Lastkapazität. Der Quarz sieht C1 und C2 in Reihe, dazu die Streukapazität C_stray von Pins und Leiterbahnen, typisch 3 bis 5 pF:

Für C₁ = C₂ folgt C₁ = 2 · (C_L − C_stray) = 2 · (18 pF − 5 pF) = 26 pF. Der nächste Normwert ist 27 pF; damit ist C_L = 13,5 pF + 5 pF = 18,5 pF.

2. Wie genau muss das sein? Die Frequenz hängt von C_L ab, weil die Lastkapazität die Resonanz „zieht“. Mit den typischen Ersatzwerten eines 8-MHz-Quarzes – Parallelkapazität C₀ = 5 pF, dynamische Kapazität C_m = 15 fF – ergibt sich die Empfindlichkeit

Die 0,5 pF zu viel kosten also nur −7 ppm, das ist weniger als die Grundtoleranz des Quarzes von ±30 ppm.

3. Rückkopplungswiderstand. RF soll den Arbeitspunkt einstellen, das Schwingnetz aber nicht belasten. Üblich sind 1 bis 10 MΩ; 1 MΩ ist bei 8 MHz richtig.

4. Serienwiderstand. RS bildet mit C2 einen Tiefpass und begrenzt so die Leistung, die der Quarz aufnehmen muss. Als Startwert nimmst du den Blindwiderstand von C2:

Der nächste gängige Wert ist 1 kΩ.

5. Anschwingsicherheit prüfen. Die Schaltung muss nicht nur bei Raumtemperatur mit diesem einen Quarz anschwingen. Bewährt hat sich ein einfacher Test: Lege vorübergehend einen Widerstand vom Fünffachen des maximalen ESR, hier 200 Ω, in Reihe zum Quarz. Schwingt die Schaltung auch so nach jedem Einschalten sicher an, hat sie genug Reserve.

Bauteilliste

Varianten

Uhrenquarz 32,768 kHz. Für eine Uhr nimmst du den CD4069UB oder einen 74HCU04, RF = 10 MΩ und RS = 330 kΩ. Uhrenquarze vertragen nur rund 1 μW und haben einen ESR von 30 bis 70 kΩ. Ihre Lastkapazität liegt bei 6 bis 12,5 pF; für 12,5 pF und 5 pF Streukapazität ergeben sich je 15 pF.

Am Mikrocontroller. Inverter und RF stecken im Chip zwischen XTAL1 und XTAL2. Du ergänzt nur C1 und C2 nach derselben Formel, wie unter Mikrocontroller-Minimalbeschaltung gezeigt.

Fertig kaufen. Ein Quarzoszillator im Metallgehäuse enthält Quarz, Verstärker und Puffer abgeglichen. Er kostet mehr, schwingt aber garantiert und liefert direkt ein Rechteck.

Ohne Quarz. Der Pierce-Oszillator ist eine Abwandlung des LC-Oszillators nach Colpitts: Dort übernimmt eine echte Spule die Rolle des Quarzes. Ist die Genauigkeit egal, reicht der RC-Oszillator mit Schmitt-Trigger.

Typische Fehler

• Schwingt nicht an: Am häufigsten steckt ein gepufferter 74HC04. Seine drei Verstärkerstufen haben zu viel Verstärkung und Phasendrehung; die Schaltung schwingt dann gar nicht, wild oder auf einer Oberwelle. Weitere Ursachen: C1 und C2 viel zu groß, RS zu groß oder ein Quarz mit hohem ESR.
• Frequenz um 20 bis 50 ppm daneben: Die Lastkondensatoren passen nicht zum Quarz. Viele Pläne zeigen pauschal 22 pF; für einen 18-pF-Quarz ist das schon 31 ppm zu hoch.
• Schwingung reißt beim Messen ab: Ein Tastkopf an Pin 1 oder am Quarz bringt 10 bis 15 pF und verstimmt den Kreis. Miss immer am Ausgang des Puffers IC1B (Oszilloskop bedienen).
• Takt springt oder stört das Radio: Lange Leiterbahnen zum Quarz wirken als Antenne und fangen Störungen ein. Quarz, C1, C2 und IC gehören dicht zusammen, mit einer Massefläche darunter (EMV).

Selbsttest