{"id":1185,"date":"2020-01-15T13:40:09","date_gmt":"2020-01-15T12:40:09","guid":{"rendered":"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/?p=1185"},"modified":"2025-05-15T09:24:20","modified_gmt":"2025-05-15T07:24:20","slug":"osf-test-so-funktioniert-analyse-einer-oszillatorschaltung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/osf-test-so-funktioniert-analyse-einer-oszillatorschaltung\/","title":{"rendered":"OSF-Test: So funktioniert die Analyse einer Oszillatorschaltung"},"content":{"rendered":"\n<p>F\u00fcr viele Ingenieure spielt der Quarz beim Design der Oszillatorschaltung eine untergeordnete Rolle. F\u00fcr sie ist das nur wenige Millimeter gro\u00dfe frequenzgebende Bauteil ein Standardprodukt, das \u201eschon funktionieren wird\u201c. Doch so einfach ist es nicht. <\/p>\n\n\n\n<p>Tats\u00e4chlich kann die mangelhafte\nAbstimmung zwischen Quarz und den \u00fcbrigen Komponenten einer Oszillatorschaltung\nweitreichende Folgen f\u00fcr die Applikation haben. So leidet zum einen die Genauigkeit\nder vom Quarz erzeugten Frequenz. Zum anderen kann es sogar zu einem Ausfall\nder Applikation im Feld kommen, ausgel\u00f6st von einer zu geringen\nSchwingsicherheit.<\/p>\n\n\n\n<p>Bei Jauch m\u00f6chten wir unseren Kunden derartige Probleme ersparen. Aus diesem Grund f\u00fchren wir auf Anfrage detaillierte Analysen von Oszillatorschaltungen durch. Diese, auch unter dem Namen \u201eOSF-Test\u201c bekannte, Analyse zielt auf eine optimale Abstimmung zwischen Quarz und Oszillatorschaltung. Dabei werden die folgenden drei Parameter untersucht:<\/p>\n\n\n\n<ol><li>Frequenzgenauigkeit<\/li><li>Schwingsicherheit (OSF)<\/li><li>Drive Level (Leistung am Quarz)<\/li><\/ol>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Frequenzgenauigkeit<\/h2>\n\n\n\n<p>Eine pr\u00e4zise Frequenz ist die wichtigste Eigenschaft eines Quarzes. Denn nur wenn der Quarz \u00fcber den gesamten Anwendungszeitraum hinweg unter allen Umgebungsbedingungen eine stabile und genaue Frequenz erzeugt, kann die Anwendung zuverl\u00e4ssig funktionieren. Damit dies gelingt, muss<strong> <\/strong>die Gesamt-Lastkapazit\u00e4t (C<sub>L<\/sub>) der Oszillatorschaltung m\u00f6glichst nah an der Nenn-Lastkapazit\u00e4t (Nenn-C<sub>L<\/sub>) des Quarzes liegen bzw. im Idealfall mit ihr \u00fcbereinstimmen.<\/p>\n\n\n\n<p>Dementsprechend wird bei der\nSchaltungsanalyse als Erstes die Gesamt-Lastkapazit\u00e4t (C\u02ea) ermittelt, die der Quarz an seinen beiden Anschl\u00fcssen \u201esieht\u201c.\nDa jede direkte Ber\u00fchrung der Schaltung die Messergebnisse verf\u00e4lschen w\u00fcrde,\nerfolgt die Messung kontaktlos mithilfe einer Nahfeldsonde, die in geringem\nAbstand \u00fcber der Schaltung angebracht wird. Anschlie\u00dfend wird der Quarz aus der\nSchaltung herausgel\u00f6tet, um ihn mit einem Crystal Network Analyzer bei Nenn-C\u02ea zu vermessen. <\/p>\n\n\n\n<p>Je gr\u00f6\u00dfer die Abweichung des Gesamt-C<sub>L<\/sub> vom Nenn-C<sub>L<\/sub> des Quarzes, desto gr\u00f6\u00dfer ist auch die Frequenzabweichung. Aus der Untersuchung des Quarzes im Analyzer l\u00e4sst sich jedoch ableiten, welche Korrekturen an der Schaltung notwendig sind, um deren Frequenzgenauigkeit zu verbessern.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Schwingsicherheit (OSF)<\/h2>\n\n\n\n<p>Im zweiten Schritt wird die Schwingsicherheit der Oszillatorschaltung \u00fcberpr\u00fcft. Eine ausreichend hohe Schwingsicherheit bedeutet, dass die Schaltung unter allen denkbaren Umgebungsbedingungen sicher und schnell anschwingen kann. <\/p>\n\n\n\n<p>Zur Ermittlung der Schwingsicherheit wird untersucht, wie hoch der Eigenwiderstand des Quarzes maximal sein darf, damit die Schaltung gerade noch anlaufen kann. Um einen solchen \u201eWorst-Case-Quarz\u201c zu simulieren, wird in der Schaltung ein zus\u00e4tzlicher Widerstand in Serie zum Quarz eingebaut (Fig. 1). <\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image\"><figure class=\"aligncenter is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_OSF_Test-1024x611.png\" alt=\"Schematische Darstellung einer typischen Oszillatorschaltung mit einem zus\u00e4tzlich eingebauten Widerstand \" class=\"wp-image-1186\" width=\"629\" height=\"375\" srcset=\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_OSF_Test-1024x611.png 1024w, https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_OSF_Test-300x179.png 300w, https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_OSF_Test-768x458.png 768w, https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_OSF_Test-280x167.png 280w, https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_OSF_Test.png 1051w\" sizes=\"(max-width: 629px) 100vw, 629px\" \/><figcaption>Fig. 1: Typische Oszillatorschaltung mit einem zus\u00e4tzlich eingebauten Widerstand (R Pot)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>Aus dem\nVerh\u00e4ltnis der so ermittelten maximalen Impedanz und dem ESR,max des Quarzes\nergibt sich letztlich die Schwingsicherheit, auch \u201eOscillation Safety Factor\u201c\ngenannt. <\/p>\n\n\n\n<p>Bei MHz-Quarzen (<a href=\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/auf-den-winkel-kommt-es-an-der-at-schnitt-fuer-quarze\/\">AT-Cut<\/a>) gilt ein OSF gr\u00f6\u00dfer als 5 f\u00fcr die meisten Standard-Anwendungen als ausreichend. F\u00fcr sicherheitsrelevante Anwendungen, wie man sie etwa im Automotive Bereich oder in der Medizintechnik findet, wird dagegen ein OSF gr\u00f6\u00dfer als 10 verlangt.<\/p>\n\n\n\n<p>Bei KHz-Quarzen m\u00fcssen schon OSF-Werte zwischen 3 und 5 als gut, und Werte gr\u00f6\u00dfer 5 als sehr gut bewertet werden. Das liegt daran, dass diese  Schaltungen in der Regel f\u00fcr sehr niedrige Leistungsaufnahmen ausgelegt sind.<\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Drive Level <\/h2>\n\n\n\n<p>Im letzten Schritt geht es darum, eine \u00dcberlastung des Quarzes auszuschlie\u00dfen. Hierzu wird ermittelt, welche Leistung auf ihn einwirkt. Zu diesem Zweck wird zun\u00e4chst mithilfe einer HF-Stromzange die St\u00e4rke des Stroms gemessen, der durch den Quarz flie\u00dft (Fig. 2). Aus diesem Messergebnis und den schon ermittelten Parametern der Schaltung errechnet sich schlie\u00dflich der \u201eDrive Level\u201c des Quarzes. Dieser Wert darf den im Quarz-Datenblatt spezifizierten Maximalwert nicht \u00fcbertreffen. <\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image\"><figure class=\"aligncenter is-resized\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/01\/Grafik_Drive_Level_zugeschnitten.png\" alt=\"Schematische Darstellung einer Oszillatorschaltung, bei der die Stromst\u00e4rke gemessen wird.\" class=\"wp-image-1197\" width=\"629\" height=\"375\"\/><figcaption>Fig. 2: Zur Ermittlung des Drive Level wird die Stromst\u00e4rke gemessen, die durch den Quarz flie\u00dft.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>Ein\n\u00dcberschreiten der zul\u00e4ssigen Quarzleistung kann unter anderem zu\nFrequenzabweichungen oder im schlimmsten Fall sogar zum Ausfall des Quarzes\nf\u00fchren. <\/p>\n\n\n\n<h2 class=\"wp-block-heading\">Anpassen der Oszillatorschaltung <\/h2>\n\n\n\n<p>Eine Oszillatorschaltung, die alle drei Tests zur Zufriedenheit besteht, kann guten Gewissens in die vorgesehene Anwendung integriert werden. Offenbaren die Untersuchungen dagegen Defizite, muss die Schaltung angepasst werden. Gibt es beispielsweise Probleme in puncto Frequenzgenauigkeit, so kann u.a. eine Variation der Lastkondensatoren in der Schaltung die Differenz zwischen Schaltungs-C<sub>L<\/sub> und Nenn-C<sub>L<\/sub> des Quarzes verringern und so die Frequenzgenauigkeit verbessern. Manchmal ist es auch notwendig, den urspr\u00fcnglich verbauten Quarz durch eine andere Type zu ersetzen. <\/p>\n\n\n\n<p>Jede Ver\u00e4nderung\nder Schaltung hat zur Konsequenz, dass alle hier\naufgef\u00fchrten Tests erneut durchgef\u00fchrt werden m\u00fcssen. So wird die Suche nach\nder perfekten Abstimmung zwischen Quarz und Schaltung zu einer T\u00fcftelarbeit,\ndie einige Stunden in Anspruch nimmt. Aufgrund\nder geringen Gr\u00f6\u00dfe der Bauteile, findet ein Gro\u00dfteil der Arbeit unter dem\nMikroskop statt.<\/p>\n\n\n\n<p>Nach Abschluss\ndes OSF-Tests stellt Jauch seinen Kunden einen detaillierten Pr\u00fcfbericht zur\nVerf\u00fcgung. Dieser enth\u00e4lt alle wichtigen Messwerte und beinhaltet zudem bei\nBedarf klare Handlungsempfehlungen zum Anpassen der Schaltung. So werden\netwaige Probleme oft schon vor Anlaufen der Serie erkannt und vermieden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>F\u00fcr viele Ingenieure spielt der Quarz beim Design der Oszillatorschaltung eine untergeordnete Rolle. F\u00fcr sie ist das nur wenige Millimeter gro\u00dfe frequenzgebende Bauteil ein Standardprodukt, das \u201eschon funktionieren wird\u201c. Doch so einfach ist es nicht. Tats\u00e4chlich kann die mangelhafte Abstimmung zwischen Quarz und den \u00fcbrigen Komponenten einer Oszillatorschaltung weitreichende Folgen f\u00fcr die Applikation haben. 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