Die meisten Entwicklungsingenieure kümmern sich erst dann um den Quarz, wenn der Rest der Bauelemente eindesignt ist, doch dann ist es viel zu spät….
Posted: 24th October 2016
Sie sind also mit der Entwicklung eines neuen Stücks elektronischer Geräte betraut worden, und Sie wissen, dass Sie einen bestimmten Mikroprozessor oder Mikrocontroller verwenden müssen, um Ihr Endziel zu erreichen. Dann beginnen Sie mit der möglicherweise mühsamen Aufgabe, auf Grundlage der benötigten Features plus der üblichen eingrenzenden Faktoren Kosten, Kosten, Kosten sowie Lieferzeit den geeigneten Baustein auszuwählen. Schließlich gelangen Sie zu einer Entscheidung, die auf vielen Faktoren beruht, einschließlich der Architektur, brauche ich einen 8-bit-, 16-bit- oder einen 32-bit-Baustein? Welche Schnittstellen wird das System brauchen, USB, I2C, UART, SPI? Welche Hardware wird benötigt, LEDs, Sensoren, Knöpfe, Lautsprecher?
Wie entscheidend alles oben Genannte im Rahmen der Entwicklungsphase auch immer sein mag, einem kleinen und scheinbar unwichtigen Bauelement muss dennoch bereits zu Beginn dieser Phase hohe Aufmerksamkeit geschenkt werden, nämlich dem frequenzbestimmenden Baustein, der zur Bereitstellung der `Takt´-Frequenz der verwendeten ICs Verwendung finden wird.
Der Quarzkristall oder Oszillator, der zur Zeittakt-Funktionalität benötigt wird, mag zu einem frühen Zeitpunkt irrelevant erscheinen, doch ist es erstaunlich, wie viele Entwickler diesen bis später in der Entwicklungsphase unbeachtet lassen und dann mit Problemen konfrontiert werden, welche ihre Entwicklungsarbeit aufhalten.
Quarz-basierte Bausteine können in einer Vielzahl von Frequenzen, Gehäusegrößen und Spezifikationen hergestellt werden, um sich für nahezu jede Anwendung zu eignen. Doch zuweilen erweist sich das, was wir für eine untergeordnete Spezifikationsanforderung für den Entwickler gehalten haben, als hinderlich für den Fortschritt.
Es ist wichtig für Entwickler, sich bereits in den anfänglichen Designstufen Rat einzuholen, sobald sie eine Idee davon haben, welche spezielle Frequenz und Gesamtspezifikation erforderlich ist. Denn dann kann Ihr Frequenzprodukt-Partner Sie beraten, was vom technischen Standpunkt aus machbar ist und welcher Baustein die kostengünstigste Lösung darstellt. Dadurch erhält der Entwickler Zeit, eine geeignete Leiterplatte auf Basis des bestgeeigneten Modells zu layouten, er lässt sich Muster des Bausteins kommen und kann ausprobieren, ob der Mikroprozessor wie erwartet arbeitet.
Es sind eine ganze Reihe von Problemen, die den Entwicklern Kopfschmerzen bereiten können, die jedoch mit geringem Zeitaufwand bereits früher in der Design-Phase möglicherweise hätten vermieden werden können:
Beispiel 1: Manche IC-Herstellen prüfen ihre Entwicklungen unter Verwendung eines großen Quarzkristall-Bausteins wie einer alten HC49-Ausführung und beziehen spezifische Bewegungsparameter wie einen geringen Reihen-Ersatzwiderstand (ESR) zum korrekten Betrieb des ICs mit ein. Der Herr Ingenieur erhält dann die Aufgabe, dieses IC zu verwenden, doch muss sein Design so klein wie möglich sein, und es wird ihm vorgeschrieben, dass das Quarzgehäuse ebenfalls kleinstmöglich sein, doch nach wie vor die Parameter im IC-Datenblatt beibehalten muss. Allerdings muss man daran denken, dass sich der ESR erhöht, wenn die Größe des Quarzkristalls reduziert wird. Dem Ingenieur wird daraufhin sehr schnell mitgeteilt, dass das gewählte winzige Gehäuse mit dem benötigten niedrigen ESR nicht brauchbar in Großserie herstellbar ist und man sich auf einen Kompromiss einigen muss, d.h. die Verwendung eines größeren Modelltyps, um den niedrigen ESR zu erreichen, oder eine Erhöhung der ESR-Grenzwerte, damit ein kleiner Baustein in Betracht gezogen werden kann.
Beispiel 2: In gleicher Weise wie im obigen Szenario verwenden Hersteller manchmal niedrigere Frequenzen, die nur in größeren Gehäuseabmessungen für Quarzkristalle möglich sind. Auch hier wieder wird der Herr Ingenieur gebeten, das Design so klein wie möglich zu schrumpfen, und er muss sich belehren lassen, dass die benötigte niedrige Frequenz in solch einem kleinen Quarzgehäuse technisch nicht umsetzbar ist. Es muss auch hier bemerkt werden, dass sich die erzielbare Mindestfrequenz mit abnehmender Größe eines Quarzkristalls erhöht. Nun müssen Kompromiss-Optionen in Betracht gezogen werden, zum Beispiel eine Erhöhung der IC-Taktfrequenz, der Einsatz einer größeren Gehäuseabmessung oder der Übergang auf ein kleines Oszillatormodell.
Beispiel 3: Es ist zu beachten, dass zwar alle Modelltypen einen spezifizierten Mindest- und Höchst-Frequenzbereich haben, es jedoch höchstwahrscheinlich ist, dass nicht alle Frequenzen innerhalb dieses Bereichs entwickelt worden sind. Gelegentlich brauchen Anwendungen Frequenzen, die nicht standardisiert sind und welche die Entwicklung des Quarzrohlings nötig machen, um die Endspezifikation zu erzielen. Dieser Prozess kann manchmal eine Reihe von Iterationsschritten erfordern, bis das Endziel erreicht ist, und er kann folglich die Lieferzeit beeinträchtigen.
Derartige Probleme lassen sich durch einen raschen Anruf bei IQD bereits im Frühstadium vermeiden, wenn unser erfahrenes Applikations-Support-Team Sie zur besten Lösung hinführt, während noch immer genug Zeit für Überlegungen zur Verfügung steht. Man darf nie vergessen, dass jeder Modelltyp seine eigenen Einschränkungen hat, die Gehäusegröße, Frequenzbereich, Stabilitätsgrenzen, Kosten pro Einheit etc. betreffen. IQD und seine Distributoren halten eine große Menge von Bausteinen mit Standard-Spezifikationen zur sofortigen Auslieferung auf Lager, doch denken Sie bitte daran, dass kundenspezifische Bausteine eine Entwicklung brauchen, die ihre Lieferzeit in die Länge ziehen kann. Nebenbei bemerkt, wenn Sie daran interessiert sind, mehr über Kristalle und Resonatoren zu erfahren, hier.finden Sie ein gutes Tutorial
Es ist also wichtig für Entwickler, sich bereits zu einem frühen Zeitpunkt Rat einzuholen, um sicherzustellen, dass Musterteile verfügbar sind, wenn die ersten Prototypen der Geräte gebaut werden.