OCXO-10MHz-Frequenznormal

Betrachtungen zur Messgenauigkeit

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OCXO
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Viele digitale Messgerät täuschen eine Genauigkeit vor, die sie nicht haben. Auch wenn ein fabrikneues Gerät noch sehr genau misst, so wachsen die Messfehler über die Jahre. Die Genauigkeit lässt sich nur durch eine Kalibrierung des Messgerätes wieder herstellen. In der Industrie und der Wissenschaft bedient man sich der Kalibrierorganisation, einem hierarchischen Netzwerk von ppm-verliebten Laboren, die die Messgerät mit hoch genauen Referenznormalen vergleichen, und die Geräte anhand der gemessenen Werte wieder einjustieren. Dieser Weg ist für den Bastler viel zu teuer. Wie kann der Bastler eine hohe Genauigkeit erreichen?

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OCXO


OCXO steht für Oven-Controlled-Cristal-Oscillator. Hier wird ein Quarz auf einer stabilen Temperatur gehalten, damit seine Frequenz hochstabil und genau ist. Dabei ist es wichtig, dass die Temperaturdrift eines Quarzes nicht über den gesamten Temperaturbereich gleich ist. Beim OCXO werden Quarze eingesetzt, deren Temperaturabhängigkeit unterhalb einer bestimmten Temperatur umgekehrt zur Temperaturdrift oberhalb dieser Temperatur ist. Das hat den netten Nebeneffekt, dass direkt auf dieser Temperatur (der Umkehrtemperatur) die Temperaturdrift extrem klein ist. Diese Umkehrtemperatur liegt zwischen 70°C und 80°C. Der Quarz muss also aufgeheizt werden. Daher der Begriff: Ofen (oven).


Ich habe vor Jahren einen defekten 10MHz-OCXO bekommen, bei dem die Temperaturregelung defekt war. Das war ein HP10544A aus den Siebzigern des vorigen Jahrhunderts.

Nach der Reparatur bekam er ein Gehäuse mit Stromversorgung. Zusätzlich zum analogen 10 MHz-Ausgang, bekam er noch eine digitale Teilerkette spendiert, über die 10 MHz bis 1 Hz mit TTL-Pegel erzeugt werden.


Einen Netzschalter sparte ich mir, denn so ein Gerät sollte eigentlich im Dauerbetrieb laufen. Mit kaltem Quarz (direkt nach dem Einschalten) liegt die Ausgangsfrequenz um 1,5 kHz abseits der gewünschten 10 MHz. Nach ca. 20 Minuten hat sich das eingeregelt, und die Ausgangsfrequenz ist weniger als 1 Hz (offiziell 0,05 Hz) von seiner Endfrequenz entfernt.
Aber richtig stabil ist die Temperatur (und damit Frequenz) erst nach einigen Stunden. Mein OCXO benötigt etwa 10 W beim Einschalten und 7 W im warmen Zustand. Wer sich diese Stromverschwendung sparen will, muss den OCXO wenigstens einen halben Tag vor seiner Verwendung einschalten, wenn er seine Leistungsfähigkeit voll ausschöpfen will. Für die meisten Anwendungen dürfte eine Vorwärmzeit von 30 Minuten aber ausreichend sein.


Auch ein OCXO hat natürlich eine Drift, und nach einigen Jahren misstraute ich meinem OCXO. Der Hersteller gibt die Drift mit <1,5 x 10-7 pro Jahr an. Bei 10 MHz sind das immerhin 1,5 Hz pro Jahr.

Deshalb habe ich mir ein Rubidium-Frequenznormal angeschafft. Durch Vergleich mit diesem Normal konnte ich die Frequenz meines OCXO genau bestimmen. Es war 9 999 999,04 Hz, Die Abweichung von der Sollfrequenz war also weniger als 1 Hz (<0,1 ppm). Nun traue ich meine OCXO wieder :)

Ich habe den OCXO jetzt so eingestellt, dass er nach einigen Stunden Aufwärmzeit im Vergleich mit dem Rubidium Frequenznormal eine Abweichung von unter 1/100 Hz  aufweist. (1 x 10-9 = 0,001 ppm)

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Fazit

Im Gegensatz zu z.B. einem Rubidium-Frequenznormal hat ein OCXO eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Wenn man ihn aber nicht dauerhaft eingeschaltet lässt, muss man ihn einige Stunden vor dem Einsatz einschalten.

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Autor: sprut
erstellt: 27.06.2014
letzte Änderung: 06.09.2014