Ich habe eine zufällige chinesische elektronische Desktop-Uhr / Wecker.
Es stellte sich heraus, dass keine Kondensatoren auf dem Kristall fehlen. Das war der Grund, warum die Uhr jeden Monat schneller lief - 5 Minuten.
Vor 6 Monaten habe ich 15 pF Kondensatoren gelötet. Und es war viel besser: Die Uhr lief in diesen 6 Monaten um 4 Minuten langsamer. Aber ich hätte gerne noch bessere Ergebnisse.
Leider habe ich keine 12,5 pF Kondensatoren und konnte keine finden (auch nicht bei ebay). Also habe ich einen 10 pF und einen 15 pF Kondensator gelötet.
Die Frage ist, ob es besser wird. Welche Konsequenzen hat das Löten verschiedener Kondensatoren mit dem Quarzkristall?
UPDATE (01.11.2017): Bitte nehmen Sie die oben genannten Daten mit "... 4 min ..." nicht ernst. Höchstwahrscheinlich ist der Akku leer und die Uhr muss zurückgesetzt werden. Ich habe das vergessen.
Ungefähr 100 Tage sind vergangen (seit dem 23. Juli). Die Uhr lief kontinuierlich und langsamer um 6 Minuten (41,6 ppm). Ich habe 15pF Kondensator entlötet und 10pF zurückgesetzt (jetzt hat die Uhr 2x 10pF Kondensatoren).
UPDATE (11.08.2018) 227 Tage seit dem letzten Update. Die Uhren sind um 17 Minuten langsamer (52 Seiten pro Minute). Gelötete 2x 2pF Kondensatoren. Mal sehen, wie es geht.
Antworten:
Es klingt für mich etwas besser, wenn es den Fehler zwischen den beiden Takten verringert - die Kondensatoren tun das - sie trimmen die Phasenantwort des um den Kristall gebildeten Filters, die Ausgangsimpedanz des Siliziums und des Kondensators am Ausgang. Ich denke, Pierce-Oszillatortopologien hier wie folgt: -
Dies gilt jedoch auch für andere Kristalloszillatortopologien.
C1 und R1 fügen eine zusätzliche Phasenverschiebung hinzu, die erforderlich ist, um die Schaltung zum Schwingen zu bringen, da ein perfektes invertierendes Gate ohne diese nicht dazu angeregt werden kann, die zusätzlichen paar Grad zu erzeugen, und es nicht schwingt. Dies passiert ab und zu und die verknüpfte Frage unten ist verwandt.
Selbstverständlich dient auch ohne R1 als eigentliche Komponente die interne Ausgangsimpedanz des Gates als R1. Es ist zu beachten, dass sich der Pierce-Oszillator R möglicherweise innerhalb des "Chips" befindet oder tatsächlich auf der Leiterplatte vorhanden ist.
Am Eingang eines Gates befindet sich immer eine Kapazität, die etwa 5 pF ausmacht, und eine geringfügige Verzögerung des Wechselrichters (nur einige Nanosekunden) kann die zusätzliche Phasenänderung bewirken, die erforderlich ist, um die Schaltung zum Schwingen zu bringen. Einige Schaltungen ohne Ausgangskapazität schwingen jedoch niemals.
Unterschiedliche Kapazitäten wurden Ihnen demonstriert, wenn keine tatsächlichen Kondensatoren eingebaut wurden. Der Eingangskondensator könnte 5 pF betragen haben und die Verzögerung des invertierenden Gates bewirkt die zusätzliche Phasenänderung, die erforderlich ist, um den Oszillator zum Schwingen zu bringen. Es ist ein bisschen ein Hit und Miss wie dieses, kann aber funktionieren.
Hier ist ein Bild einer Sim, die ich vor einiger Zeit gemacht habe und die das Bode-Diagramm eines 10-MHz-Kristalls und zweier Kondensatoren zeigt. Die Kondensatoren am Eingang und am Ausgang des Gates wurden wie gezeigt gleichzeitig variiert. Die gesamte X-Achse deckte ungefähr 100 kHz ab, so dass in einen Zusammenhang gebracht wird, wie wenig Sie einen Kristalloszillator in der Realität verschieben können:
Wenn ich den Kondensator zwischen 20 pF und 10 pF variiert habe, können Sie den Frequenzbereich sehen, in dem die Übertragungsfunktion um 180 Grad verläuft. Etwas unter 10 pF gibt es einen Punkt, an dem die Phasenverschiebung niemals 180 Grad erreicht, und die Schaltung schwingt nur, wenn das invertierende Gate mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung läuft, die über die erwarteten 180 Grad hinausgeht.
Die Schaltung schwingt nicht, wenn der Wechselrichter mit einer Frequenz über dem Antiresonanzknoten laufen muss, um die erforderliche zusätzliche Phasenverschiebung zu erzeugen.
Das obige Bild stammt aus meiner Antwort hier .
Hier ist ein brandneues Diagramm der Phasenverschiebung, wenn nur der Ausgangskondensator variiert wird (der Ausgangskondensator ist derjenige, der normalerweise dem Wechselrichterausgang zugeordnet ist): -
Es schwingt mit 20 pF, 10 pF und fast mit fast 5 pF, aber niedriger und es wird theoretisch nicht schwingen.
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Die Nennfrequenz jedes XTAL wird vom Kristallhersteller angegeben und bei einer bestimmten "Belastung" des Kristalls definiert. Wenn sich die Last unterscheidet, unterscheidet sich auch die Frequenz der Schwingungen. Dieser Effekt wird als " Kristallziehbarkeit " bezeichnet, und Andy Aka hat eine gute Demonstration dafür. Die typische Zugbarkeit beträgt etwa + -100 ppm für 5 pF Gesamtlastabweichung.
Aus praktischen Gründen weisen Ihre experimentellen Ergebnisse auf Folgendes hin:
Ohne Kappen (und nur die Belastung wird durch IC- und Board-Trace-Parasiten dargestellt) haben Sie +115 ppm (5 Minuten schneller in einem Monat, 43200 Minuten).
Mit 15 pF-Kappen haben Sie -15 ppm (4 min über 260.000 min).
Basierend darauf und linear interpolierend (in erster Näherung) benötigen Sie eine Kappe von 13,2 pF, um 0 ppm zu erreichen. (Sie können es mit 10 pF plus 3 pF darüber nachholen oder einfach zwei 13 pF-Kappen bei Digi-Key bestellen, + 7,99 USD Versand)
HINWEIS: Eine ungleichmäßige Lastverteilung führt zu Änderungen der Signalamplituden an den Enden des Kristalls, was möglicherweise keine gute Idee ist.
ANMERKUNG 2: Die 15 ppm sind tatsächlich ein sehr gutes Ergebnis, ein ausgezeichnetes Ergebnis, da die mechanische Toleranz normalerweise allein etwa 20 bis 50 ppm beträgt. Darüber hinaus hängt die Frequenz ziemlich stark von der Umgebungstemperatur ab, sodass Ihr Ergebnis je nach Wetter und Jahreszeit variiert.
Um eine bessere Genauigkeit zu erzielen, setzen Menschen Oszillatoren (mit Kristallen) in thermisch stabilisierte Gehäuse ein. Alternativ funktioniert auch die regelmäßige Korrektur (einmal pro Woche) über Internet-Zeitdienste, wie sie heute auf allen PCs durchgeführt wird.
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Diese beiden Kappen bilden zusammen mit dem Kristall einen Resonator und einen Spannungsteiler. Offensichtlich arbeitet der Oszillator immer noch mit 10pF und 15pF. Was Sie wissen, ist, dass das Verhältnis von 10/15 oder 15/10 (abhängig davon, welche Kappe am Verstärker Vout und welche am Verstärker Vin liegt) die Verstärkungsspanne der Rückkopplungsschleife immer noch nicht beeinträchtigt. Sie können die beiden Positionen tauschen und feststellen, ob der Oszillator noch schwingt (Zeit hält) und gute Zeit behält.
Ja, Sie können es besser machen (bessere Zeit behalten). Löten Sie eine Gimmick-Kappe über die 10pF; Ein Gimmick sind zwei isolierte Drähte, die für 1/2 "oder 1" oder 2 "miteinander verdrillt sind.
Leihen Sie sich entweder einen Frequenzzähler aus und stellen Sie die Frequenz auf 1 Teil in 300.000 (10 Sekunden Zeitbasis) ein, um eine Genauigkeit von 10 Sekunden pro Monat zu erzielen, oder experimentieren Sie über die Monate mit der Gimmick-Kappe.
In einem vor Jahrzehnten von einem in IC-Kreisen für seine Arbeit an Kristalloszillatoren für die Schweizer Uhrenindustrie bekannten Vittoz verfassten Artikel wurde erörtert, wie Schwankungen der Verstärkerverstärkung (Transkonduktanzschwankungen) die Schwingungsfähigkeit gefährden. Das hat mich verwirrt. Eric Vittoz-Papier zeichnete den Wurzelort für Verstärkungsvariationen auf und zeigte, wie bei sehr geringer Verstärkung und sehr hoher Verstärkung das Schleifenverhalten von der linken Ebene (mit der erforderlichen Phasenverschiebung) in die rechte Ebene überging (keine ausreichende Phasenverschiebung mehr). Bei mäßiger Verstärkung (Transkonduktanz) würde der Kristalloszillator schwingen.
Vor ein paar Jahren, als ich mit einem Prototyp eines Mag-Phase-Simulator-Tools experimentierte, erkannte ich, dass der Rout (wie Andy sagte) der Schlüssel zur Erfüllung der Barkhausen-Kriterien von genau (GENAU) N * 360 Grad war. Und in Vittoz-Papier bedeutete der Fall einer sehr hohen Transkonduktanz - ein riesiger g, der ein C antreibt -, dass die Bandbreite sehr hoch war, die Zeitkonstante sehr schnell war und bei der Frequenz des Kristalls eine geringe Phasenverschiebung erzeugt wurde.
Ich habe diese Situation für Qs von einer Billion (10 ^ 12) modelliert und die microHertz-Auflösung um die seriellen und parallelen Resonanzen herum vergrößert. Der Rout (oder gm oder die Transkonduktanz) ist in der Tat Teil der Barkhausen-Schleifenbedingung, da er mit der gesamten Kapazität (einschließlich ESD-Dioden und Pin-Pin-Kapazität in IC-Leadframes) des Verstärkers Vout zusammenwirkt.
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5 min / Monat sind ungefähr 100 ppm. Diese Kristalle sind typischerweise auf 20 ppm und im Allgemeinen innerhalb von 5 ppm bei Raumtemperatur spezifiziert. So können Sie es besser machen.
Die Ziehbarkeit dieser Kristalle ist begrenzt - eine gute Sache. 20 ppm sind typisch. In Ihrem Fall scheint es 60 ppm zu sein.
Ein einfacher Weg, um es hier zum Laufen zu bringen, ist ein Gimmick-Kondensator. Leicht gemacht. Bevor ich dorthin gehe, würde ich den Kondensator zuerst innerhalb von 20 ppm reduzieren und ihn auch schneller machen (-> kleinere Lastkapazität).
es würde es langsamer machen. Nicht was du jetzt willst.
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