DIN IEC 60122-2-1993 Quartz crystal units for frequency control and selection part 2 guide to the use of quartz crystal units for frequency control and selection identical with IEC.pdf

1、DIN1 DIN IEC 122 TEIL 2 93 2794442 036209b 857 DK 621.372.41 2.004.14(036) DEUTSCHE NORM September 1993 Sc h w i n g q u a rze zu r F re q u e n zs t a b i I is i e ru n g u n d .-Se I e k t i o n Teil 2: Leitfaden zur Anwendung von Schwingquarzen zur Frequenzstabilisierung und -Selektion Identisch

2、mit IEC 122-2 : 1983 DIN IEC22 Teil 2 _ Quartz crystal units for frequency control and selection; Part 2: Guide to the use of quartz crystal units for frequency control and selection; Identical with IEC 122-2 : 1983 Quartz pour le contrle et la slection de la frquence; Deuxime partie: Guide pour lem

3、ploi des rsonateurs a quartz pour le contrle et la selection de la frquence; Identique a CE1 122-2: 1983 zu den Internationalen Normen IEC 68 IEC 122-1 : 1976 IEC 122-2-1 : 1991 IEC 122-3 : 1977 IEC 302 Die Internationale Norm IEC 122-2,2. Ausgabe, 1983 ,Quartz crystal units for frequency control an

4、d selection; Part 2: Guide to the use of quartz crystal units for frequency control and selection“, ist unverndert in diese Deutsche Norm bernommen worden. bestehen folgende DIN-Normen Normen der Reihe DIN IEC 68 DIN IEC 122 Teil V11.92 DIN IEC 122 Teil 2-1108.92 DIN IEC 122 Teil 3/09.93 - Fortsetzu

5、ng Seite 2 bis 28 Deutsche Elektrotechnische Kommission im DIN und VDE (DKE) Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin 09.93 DIN IEC 122 Teil 2 Sep 1993 Preisgr. 74 Vertr.-Nr. 2814 DIN1 DIN IEC 122 TEIL 2 93 2794442 0362097 793 Seite 2 DIN IEC 122 Teil 2 Deutsche bersetzung Sc h

6、 w i n g q uarze zu r Freq uenzst ab i i isie r u n g u n d -Se le kt i on Teil 2: Leitfaden zur Anwendung von Schwingquarzen zur Frequenzstabilisierung und -Selektion Inhalt Seite v0mort . . . . . . , . , , . . . . . . . . . , , , . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . , , , , . . . . . .

7、. . . , , , , . . . . . . . . 3 Einleitung 3 Kapitel ill: Leitfaden zur Anwendung von Schwingquarzen zur Frequenz- 1 Einfhrung 4 2 Der Schwingquarz, ein Bauelement 4 2.1 Allgemeines. . . . . . . . . 4 2.2 Elektrisches Ersatzschaltbild des Schwingquarzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8、. . . . . . . . 4 2.4 Temperaturgang der Frequenz. . . . . . . . . . . . . . 6 2.5 Schwingquarz-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.6 Schwingquarzgehuse 15 3 Der Schwingquarz in der Schaltung . . . . . . . . . . . .

9、. . . , , , . . . . . , . . . . . . , , , . . . . . . . . . . . . 16 3.1 Allgemeines . . . 16 3.2 Oszillatoren, 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 3.4 Frequenzstabilitt . 23 3.5 Anwendungen in Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , , , . . . . . . . .

10、 . . , , , , , 23 4 Einflu6 der verschiedenen Faktoren auf Kosten und Lieferbarkeii vonSchwingquarzen 23 4.1 Einleitung . 23 4.2 Schwingquarzfrequenz . 23 4.3 Schwingquarzgehuse 23 4.4 Grenzabweichungen der Frequenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.5 AT-Schnitt:

11、Temperaturbeiwert unter Kostengesichtspunkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.6 Alterung 23 4.7 Umwelteinflsse . 24 4.8 Allgemeine Anmerkungen zu Prfungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 5 Bestellangaben . 25 5.1 Checkliste der Schwin

12、gquarzparameter, die in einer Spezifikation anzugeben sind . . . 25 5.2 Notwendige Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , , , , . . . . . . . , , , , . . . . . . . .25 5.3 Zustzliche Anforderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13、 . . . . . . . . . . . . . . . .25 6 Begriffe und Definitionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , , . . . . . . . . , , . . . . . . . . . .26 6.1 Allgemeine Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , , , . . . . . . , , , , ,

14、. , . . . . .26 6.2 Elektrische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.3 Betriebseigenschaften 27 7 Schritum 27 stabilisierung und -Selektion der Elektronik. , . . . . . . . . 2.3 Schwingungsform als Funktion der Frequenz . 5 DIN1 DIN IEC 122 TEIL 2 93 2794442 0362

15、098 b2T = DIN IEC 122 Teil 2 Seite 3 Vomort 1. Die offiziellen Beschlsse oder Vereinbarungen der IEC ber technische Fragen, die in Technischen Komitees von Vertretern aller an dem behandelten Thema besonders interessierten nationalen Komiteeserarbeitet werden, bringen das hchstmgliche Ma internation

16、aler bereinstimmung fr das behandelte Sachgebiet zum Ausdruck. 2. Sie stellen Empfehlungen zur internationalen Anwendung dar und sind als solche von den nationalen Komitees angenommen. 3. Um die internationale Vereinheitlichung zu frdern, wnscht die IEC, da alle nationalen Komitees den Text der IEC-

17、Empfehlun- gen so weit in ihre nationalen Regeln bernehmen, wie es die Gegebenheiten im jeweiligen Land gestatten. Jede Abweichung zwischen der IEC-Empfehlung und der entsprechenden nationalen Regel sollte in dieser, soweit mglich, deutlich gekennzeich- net werden. Einleitung Diese Norm wurde vom Te

18、chnischen Komitee TC 49 ,Piezoelektrische Bauelemente zur Frequenzstabilisierung und -Selektion“ erarbeitet. Dies ist Teil 2, der das Kapitel 111 der IEC ber Schwingquarze zur Frequenzstabilisierung und -Selektion beinhaltet. Teil 1 enthlt Kapitel I: Normwerte und Prfbedingungen und Kapitel II: Prfb

19、edingungen und ist als IEC 122-1 verffentlicht. Teil 3 enthlt Kapitel IV: Norm-Gehusemae und Kapitel V: Anschlubelegungen und ist als IEC 122-3 verffentlicht. Der Entwurf wurde auf der Sitzung in Zrich 1979 diskutiert. Als Ergebnis der Sitzung wurde ein berarbeiteter Entwurf des Schrift- stcks 49(Ce

20、ntral Office)140 den nationalen Komitees zur Annahme unter der Sechs-Monats-Regel im Oktober 1980 vorgelegt. Folgende nationalen Komitees folgender Lnder stimmten explizit fr die Verffentlichung: Ag y pte n Kanada Trkei Belgien Neuseeland UdSSR Brasilien Schweden Vereinigte Staaten von Amerika Deuts

21、chland Schweiz Vereinigtes Knigreich Italien Spanien Japan Sdafrika Andere in dieser IEC-Publikation zitierte Normen: IEC 68 Basic environmental testing procedures. IEC 122-1 Quartz crystal units for frequency control and selection, Part 1: Standard Values and test conditions. IEC 302 Standard defin

22、itions and methods of measurements for piezoelectric vibrators operation over the frequency range up to 30 MHz. IEC 314 Temperature control devices for quartz crystal units. IEC 444 Measurements of quartz crystal unit parameters by zero phase technique in a n-network IEC 679-2 Quartz crystal control

23、led oscillators, Part 2: Guide to the use of quartz crystal controlled oscillators DIN1 DIN IEC 122 TEIL 2 93 9 2794442 03b2099 5bb 9 Seite 4 DIN IEC 122 Teil 2 Kapitel III: Leitfaden zur Anwendung von Schwingquarzen zur Frequenzstabilisierung und -Selektion 1 Einfhrung Diese Norm wurde erarbeitet,

24、um sowohl dem Schwingquarz- hersteller als auch dem Schwingquarzanwender einen Leitfa- den zu geben, die Schwingquarze fr Filter und Oszillatoren bestmglich anzuwenden. Es wird die Aufmerksamkeit auf einige grundstzliche Fragen gelenkt, die vom Anwender betrachtet werden sollten, bevor er Schwingqua

25、rze fr eine neue Anwendung bestellt. Diese Anregungen helfen, unbefriedigende Arbeitsweise, unntige Kosten und Nichtverfgbarkeit zu vermeiden. Diese Norm soll weder die Theorie erklren, noch kann sie alle auftretenden Eventualitten im praktischen Betrieb verhindern. Letztend- lich stellt sie auch ke

26、inen Ersatz fr eine enge Beziehung zwi- schen Hersteller und Anwender dar. 2 Der Schwingquarz, ein Bauelement 2.1 Allgemeines Das Quarzelement ist ein Stck schwingfhigen Quarzkristal- les, dessen Orientierung und MaEe die Frequenzfreine gege- bene Schwingungsform bestimmen. Dieses Verhalten beruht a

27、uf dem piezoelektrischen Effekt und ermglicht dieKopplung an eine elektrische Schaltung. Aufgrund der besonderen Eigenschaften und seiner hohen Gte Q ist der Schwingquarz fr die sehr genaue Frequenzstabilisierung und -Selektion her- vorragend geeignet. Schwingquarze stellen keine primren Frequenznor

28、male dar, knnen aber, wenn sie genau definiert sind, eine Fequenzgenauigkeit erreichen, die weit ber die meisten Anforderungen der Elektronikindustrie hinaus geht. Das Quarzelement wird aus einem monokristallinen Quarzkri- stall mit genauer Orientierung bezglich der kristallographi- schen Achsen ges

29、chnitten (siehe Bild 1). ANMERKUNG 1: Dieses Bild zeigt nur die am hufig- sten verwendeten Schnitte. ANMERKUNG 2: Das Bild zeigt einen rechtshndi- gen Quarzkristall. Dieses Bild zeigt einen natrlichen Quarzkristall. Die meisten Hersteller verwenden jedoch synthetisches Quarzmaterial. Die Technologie

30、 der Herstellung vom synthetischen Quarz ist soweit fortgeschritten, da der synthetische Quarzvom natr- lichen Quarz bezglich der elektrischen Eigenschaften kaum mehr unterschieden werden kann. Obwohl die Eigenschaften des Quarzmaterialssehrstabil sind, ist die Frequenzstabilitt desSchwingquarzesauc

31、h von der Art seiner Verwendung, d. h. seiner klimatischen und elektrischen Umgebung, abhngig. Alle Anwender sollten ihre spezielle Anwendung so rechtzeitig wie mglich mit dem Hersteller absprechen. Es gibt eine Reihe von unterschiedlichen Quarzschnitten und Schwingungsformen. die die Herstellung vo

32、n Schwingquarzen mit einem Temperaturbeiwert nahe Null in einem weiten Tem- peraturbereich ermglichen. Der Schwingquarz als elektrisches Bauelement besteht aus einem Quarzelement, leitfhigen Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und einer Halterung zur Befestigung in einem schtzenden Ge

33、huse, welches die Schwingung nicht wesentlich beeinflussen darf. Der Schwingquarz hat ein elektrisches Ersatzschaltbild (siehe Bild 2). Die Werte der Ele- mente des elektrischen Ersatzschaltbildes sind abhngig vom Schnitt, der Schwingungsform, der Arbeitsfrequenz und der herstellerabhngigen Konstruk

34、tion. der Elektronik Bild 1: Bezeichnung der am hufigsten Verwendeten Quarzschnitte 2.2 Elektrisches Ersatzschaltbild Die Eigenschaften eines schwach gedmpften mechanischen Schwingers, der mit Hilfe von Elektroden piezoelektrisch ange- regt wird, knnen in der Umgebung der Resonanzfrequenz durch ein

35、elektrisches Ersatzschaltbild beschrieben werden. Es besteht aus der Reihenschaltung einer Kapazitt Cl, einer Induktivitt L1, einem Widerstand R1 und einer parallel geschalteten zweiten Kapazitt Co. Das Ersatzschaltbild des Schwingquarzes ist in Bild 2 darge- stellt. Diese Darstellung des Schwingqua

36、rzes ist nur dann richtig, wenn die Parameter konstant und von der Frequenz sowie Amplitude unabhngig sind. Die Parameter sind dann von der Frequenz unabhngig, wenn der Resonator keine weitere Resonanz in der Nhe der Resonanzfrequenz aufweist. Bedin- gung fr diese Annahme ist, da die Hauptresonanzei

37、nen aus- reichenden Abstand zu den anderen Resonanzen haben muB. Wenn dies nicht der Fall ist, sind die Meverfahren und Glei- chungen, die blicherweise benutzt werden, nicht zutreffend. Die Richtigkeit der Ersatzschaltung kann durch Messung der Impedanz oder Admittanz als Funktion der Frequenz berpr

38、ft werden. des Schwingquarzes DIN1 DIN IEC 122 TEIL 2 93 m 2794442 0362100 008 m L1 dynamische Induktivitt (Henry) Cl dynamische Kapazitt (Farad) Ch Gehusekapazitt (Farad) C, Elektrodenkapazitt (Farad) Co effektive statische Parallelkapazitt C, + Ci, (Farad) RI dynamischer Widerstand (Ohm) Bild 2: E

39、rsatzschaltbild eines Schwingquarzes U T Bild 2a: Symbol eines Schwingquarzes Aus Bild 2 ist zu ersehen, daB die statische Parallelkapazitt Co des Schwingquarzes durch die Streukapazitten der Anschlsse und die Erdungsverhltnisse des Gehuses mit- bestimmt werden. In Schaltungen mit hohen Eingangsimpe

40、- danzen sollte das Schwingquarzgehuse geerdet werden. Das allgemein verwendete, vereinfachte Ersatzschaltbild zeigt Bild 3. Bild 3: Vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes Die dynamische Induktivitt entspricht der schwingenden Masse, die dynamische Kapazitt der Elastizittskonstanten des

41、 Quarzmaterials und der dynamische Widerstand repr- sentiert die innere Reibung sowie mechanische Verluste im Halterungssystem und akustische Verluste in der Umgebung. Die statische Parallelkapazitt setzt sich aus der statischen Kapazitt zwischen den Elektroden und den Streukapazitten der Halterung

42、zusammen. DIN IEC 122 Teil 2 Seite 5 Diese einfache Schaltung hat zwei Frequenzen mit dem Pha- senwinkel Null. Die Resonanzfrequenzf, und die Antiresonanz- frequenz fa. In einer Oszillatorschaltung wird der Schwingquarz auf einer Frequenz schwingen, die zwischen den gestrichelten Linien des Bildes 4

43、 liegt. Dies wird durch die Phasenbedingung und die effektive Reaktanz des Oszillators bestimmt. Durch ndern dieser Bedingungen kann der Schwingquarz in einem begrenzten Bereich (Ziehbereich) abgestimmt werden. Der Betrag, um den die Frequenz gendert werden kann (Zie- hen der Frequenz), ist reziprok

44、 proportional zum Kapazitts- verhltnis. r= 5 (blicherweise konstant bei gleichem Schnitt Cl und Konstruktion) Bild 4: Die Reaktanz/Frequenz-Charakteristik in der Nhe der Resonanz bliche Werte fr das Kapazittsverhltnis verschiedener Frequenzbereiche und Schnitte gibt Tabelle 1 an. Ausfhrliche Angaben

45、 machen die Bilder 14 und 15. In Filteranwendungen kann die Bandbreite ber dieses Ver- hltnis beeinflut werden. Allgemein gilt: Je grer das Kapa- zittsverhltnis ist. desto kleiner wird die Bandbreite. 2.3 Schwingungsform als Funktion der Frequenz Der Frequenzbereich, der blicherweise von Schwingquar

46、zen berdeckt wird, reicht von einigen hundert Hz bis zu 200 MHz. Um diesen Bereich abzudecken, werden verschiedene Schnitte und Schwingungsformen angewendet, wie in Tabelle 1 aufgefhrt. AT-Schnitt Schwingquarze knnen auch von 400 kHz bis 800 kHz hergestellt werden. Sie bentigen dann aber grere Gehus

47、e. Die Wahl des Schnittes und der Schwingungsform kann von der Gehusegre oder von anderen Faktoren als der Fre- quenz selbst abhngen. Die angegebenen Co/C1-VerhItnisse stellen bliche Werte dar. Man kann aber diese Werte mit speziellen Verfahren bei der Herstellung beeinflussen. Co ist die statische

48、Parallelkapa- zitt und Ci die dynamische Kapazitt (siehe Bild 2). Seite 6 DIN IEC 122 Teil 2 Bezeichnung des Schnittes XY NT 5OX-Stab blicher colcl Schwingungsform Frequenzbereich kHz (annhernd) Biegung 1 bis 50 600 BiegunglStimmgabel 4 bis 100 900 Dehnung 40 bis 200 130 CT DT I 400 I SL I Flchensch

49、erschwingung I 350bis 700 I Flchenscherschwingung 150bis 850 350 Flchenscherschwingung 100 bis 500 400 Dickenscherschwingung (Grundton) I AT 3 O00 bis 30 O00 I Dickenscherschwingung 800bis 5000 450 bis 300 (Grundton) 5 O00 bis 30 O00 I 650 AT Dickenscherschwingung 3. Oberton 15 O00 bis 75 O00 Annhernd 5. Oberton 9. Oberton 50 O00 bis 150 O00 150 O00 bis 200 O00 7. Oberton 1 O0 O00 bis 200 O00 n2. 250 *)