Taktgeber

Einen "Takt" kann man auf verschiedene Weise erzeugen.....

In vielen Mikrocontrollern ist eine RC-Oszillator integriert. Bei den AVR-Controllern kann dieser bis 8 MHz schwingen und "Firmware mäßig" sehr genau kalibriert werden (bei konstanter Temperatur und gut stabilisierter Versorgungsspannung :-) ).

Bei höheren Frequenzen (und höherer mittlerer Genauigkeit) werden Quarze als frequenzbestimmendes Element extern dazu geschaltet. Die genaue Frequenz, mit der so eine aus einem **externen Quarz**, der **integrierten Treiberschaltung** und den **parasitären Kapazitäten** des Aufbaus bestehende Konfiguration schwingt, ist aber genau von diesen 3 Elementen abhängig (und auch noch von der Temperatur, und von der Versorgungspannung, und außerdem "altert" das auch noch...)

Da weder der Quarz- noch der IC-Hersteller die Größe der o.g. parasitären Kapazitäten kennt, fordern sie ein "worst case Szenario": Belaste die Schaltung zusätzlich, damit die gewünschte Frequenz erreicht wird! Das Wort "belasten" ist absichtsvoll gewählt: Zu hoch darf die Kapazität auch nicht sein, damit der integrierte Treiber nicht durchbrennt. In einem Quarzoszillator wird IMMENSE Leistung umgesetzt während der (steilen) Flanken.

Typische MHz-Quarze sind auf etwa 33pF hin optimiert, Atmel gibt in den Datenblättern an, dass man die beiden OSC-Pins mit 12 bis 22pF belasten kann/sollte. Wie wird da jetzt ein Schuh draus?

Nun, wenn uns die ganz genaue Frequenz nicht schrecklich wichtig ist, kann uns die Angabe des Quarzherstellers erst mal egal sein. Die 12 pF des Chipherstellers dürfen wir nicht ignorieren, weil diese Kapazität ein konstruktive Elemente der Gesamtschaltung ist! Diese Kapazitäten werden aber schon wesentlich durch die sogenannten parasitären Kapazitäten des Schaltungsaufbaus realisiert. Zur Sicherheit addieren wir noch 10pF, indem wir 2x22pF als Kondensatoren hinzufügen. In der Gesamtbillanz ergibt sich dann:

- 3 bis 10 pF an den Mikrocontroller-Pins - 3 pF am Quarzgehäuse - 3 pF an den Leiterbahnen/Lötstellen (bei Steckboards >10 pF) - 11pF durch die beiden Kondensatoren (nein, die liegen nicht parallel sonder "in Serie" :-) )

>20pF. Damit kommt man recht gut an den Wert des Quarzherstellers heran.

Übrigens darf man sich bei Angaben wie 22 oder 33 oder 15 nichts denken, diese Werte stammen aus der "E6-Reihe", die Elektronikingenieure verinnerlicht haben. Die Genauigkeit von kommerziellen Kondensatoren beträgt 20% (eher +/- 20%), die Unwägbarkeiten einer Schaltung machen wenigstens im pF Bereich noch mal das Gleiche aus... "22pF" bedeuten also "irgendwas zwischen 15 und 33 pF" und die "falschen" Werte mögen im Einzelfall (!) sogar besser sein.

Es gibt sehr gute integrierte Quarzoszillatoren in 4-poligen für heutige Verhältnisse etwas klobigen Gehäusen. Durch sie wird das ganze oben aufgemachte Fass wieder zugemacht. Im Einzelfall sind sie aber nicht notwendigerweise genauer als eine gut gemachte Quarzkonfiguration. - Quarz 30ppm (ca 30 Cent) - Beschaltung eines Mikrocontrollers 100ppm - Quarzoszillator 50ppm (ca 1€) - Kalibierter Quarzoszillator 5ppm (ca 5 €)