Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Ein stabiler Quarzoszillator der genauigkeitsklasse 10-7 zur Frequenz- und Zeitmessung
Es wird ein 1-MHz-Quarzoszillator beschrieben, der mit einem Thermostaten eine Frequenzunsicherheit von besser als ± 1×10-7 aufweist. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß auch ohne Thermostat eine gute Frequenzstabilität erreicht wird. Betriebsspannungs- und Belastungsänderungen haben einen sehr geringen Einfluß. Es werden Meßwerte über das Verhalten nach dem Einschalten und bei längerem Betrieb, bei Betriebsspannungs- und Laständerungen sowie die nach DIN 45105 gemessenen Quarz- Ersatzdaten angegeben.
Die Oszillatorschaltung enthält eine Kapazitätsdiode, die ein Feineinstellen der Frequenz und das Synchronisieren des Oszillators durch den Droitwich-Empfänger(1) ermöglicht. Es sind somit mehrere Ausbauversionen möglich, die je nach gewünschter Frequenzstabilität ausgewählt werden können. Hervorzuheben ist jedoch die Stabilität, die im unabhängigen Thermostatenbetrieb, also ohne Synchronisation durch einen Normalfrequenzsender erreicht wird. Neben der KurzzeitStabilität durch den Thermostaten ist auch die Langzeit-Stabilität recht gut, da die Quarz-Alterungsrate durch die in dieser Schaltung äußerst geringe Quarzbelastung sehr klein ist.
1. Schaltungseinzelheiten
Bild 1 zeigt die Schaltung der Quarzzeitbasis. Sie enthält neben der Oszillatorstufe (T1) eine Puffer-/Verstärkerstufe (T2), eine Impulsformerstufe mit dem Transistor T3 und einen integrierten Frequenzteiler. Die ganze Schaltung arbeitet mit einer stabilisierten Betriebsspannung von 5 V, die für die TTL-ICs des vom Oszillator angesteuerten Geräts (elektronische Uhr, Frequenzaufbereitung, Zähler) ebenfalls benötigt wird. Die verwendeten Transistoren BF224 sind sehr riickwirkungsarm; die Schaltung ist jedoch so unkritisch, daß sich auch andere Typen unbedenklich einsetzen lassen.
Bild 1: Schaltbild der 1-MHz-Quarzzeitbasis mit Pufferstufe, Impulsformer und 10 : 1 - Frequenzteiler
Sehr günstig an dieser Pierce-Schaltung sind die großen Parallelkapazitäten zur Basis-Emitter-Strecke und zur Kollektor-Emitter-Strecke des Oszillatortransistors T1. Sie liegen den temperatur- und spannungsabhängigen Transistorkapazitäten parallel und vermindern so den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Betriebsspannung. Die Kondensatoren C1 bis C4 und C6 müssen natürlich selbst temperaturstabil sein. Durch diese Schaltungsmaßnahmen in Verbindung mit der niedrigen Betriebsspannung bleibt die Quarzbelastung unter 200 µW. Es konnte deshalb auf eine amplituden-stabilisierende Regelschaltung verzichtet werden.
2. Ausbau-varianten
Die in Bild 1 gezeigte Quarzzeitbasis läßt sich - je nach Anforderungen an die Frequenzstabilität - in vielen Versionen aufbauen. Einige Möglichkeiten sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
| Thermostat | Droitwich-Empf. | Quarz | Bemerkungen | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | nein | nein | XS 6002 | billigster Eichquarz |
| 2 | nein | nein | XS 0604 | noch teurere Quarze möglich |
| 3 | XT-1/2 | nein | XS 0605/75° | käuflicher Thermostat für 75°C |
| 4 | nein | DJ4BG 010 | XS 6002 | siehe Literatur (1) |
| 5 | XT-1/2 | DJ4BG 010 | XS 0605/75° | hohe Genauigkeit auch bei Senderausfall |
Die angegebenen Typenbezeichnungen sind von Fa. Kristallverarbeitung Neckarbischofsheim GmbH (KVG), Frequenz 1 MHz, geordnet nach steigender Qualität:
| Typ | Gesamttoleranz | Halter | |
|---|---|---|---|
| von +15 bis +45 °C | bei 25 °C | ||
| XS 6002 | ±50×10-6 | Abgl. Tol.: + 10×10-6 | HC-6/U, luftdicht verl. |
| Typ | Abgleichtoleranz | Temperaturgang der Frequenz | Halter | |
|---|---|---|---|---|
| f/fo | im Bereich | |||
| XS 0604 | ± 10×10-6 | ± 10×10-6 | - 20 bis + 70 °C | HC-6/U, luftdicht verl. |
| XS 0605 | ± 10×10-6 | ± 5×10-6 | + 5° der Nenntemperatur | im Thermostaten z. B. 75 °C |
Für höchste Anforderungen an die Langzeitkonstanz und Quarzgüte gibt es noch wesentlich teurere Quarztypen im evakuierten Glashalter (z. B. XS 3505) und im kaltgeschweißten Metallhalter (z. B. XA 111).
| Quarzthermostat | XT - 1 | XT - 2 |
|---|---|---|
| Heizspannung | 6 V | 12 V |
| Heizstrom | 1 A | 0,7 A |
| Arbeitstemperatur | 75 ± 3 °C | |
| Regelgenauigkeit | ± 1 °C | |
| Regler | Bimetall | |
| Anschlußsockel | Oktal | |
| Abmessungen | Höhe über alles: 60 mm; Durchmesser: 32 mm | |
Zur Synchronisation mit dem Sender Droitwich sei noch auf folgendes hingewiesen: Im südlichen Europa fällt dieser Sender mit sehr kleiner Feldstärke ein, so daß nur ein sehr geringer Störabstand vorhanden ist. Aus diesem Grund muß die Zeitkonstante der Regelschleife sehr lang sein, was durch große Kapazitäts- oder/und Widerstandswerte in der Gleichstromleitung der Nachstimmspannung erreichbar ist. Wenn dies nicht berücksichtigt wird, kommt es bei atmosphärischen Störungen zu einer sehr unangenehmen Phasenmodulation des Quarzoszillators. Die Verwendbarkeit des Oszillatorsignals ist damit in Frage gestellt.
3. Eigenschaften und Messergebnisse
Die Ausbauversion Nr. 3 mit dem 12-V-Thermostaten XT-2 und dem Quarz XS 0605/75 °C wurde von DJ1JZ aufgebaut und von DL1XX durchgemessen. Die Messungen erfolgten bei einer Umgebungstemperatur von 18 °C mit einer selbstgebauten Frequenzmeßanlage, die das Frequenznormal XSE der Fa. Rohde und Schwarz enthält. Meßauflösung und Absolutgenauigkeit dieser Anlage ist 
< 1×10-8. Vor der Messung war der Oszillator durch 14 tägigen ununterbrochenen Betrieb gealtert worden.
Bild 2 zeigt die Frequenzabweichung beim Aufheizen des Thermostaten nach dem Einschalten. Die Endtemperatur am Quarz und damit der Frequenzeinlauf von besser als + 2×10-7 ist nach etwa 12 Minuten erreicht. Unter der Frequenzkurve sind die Schaltzyklen der Thermostatenheizung aufgetragen. Bild 2 läßt folgenden Schluß zu: Da nach etwa 3, 7 min. die Richtung der Frequenzdrift umkehrt, der Quarz jedoch wegen seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit die Endtemperatur noch nicht erreicht haben kann, arbeitet der Quarz nicht auf seinem Temperatur-Umkehrpunkt. Es handelt sich wahrscheinlich um einen nach Lastkapazität ausgesuchten Typ - entsprechend der Norm CR - 18/U - dessen sehr flach verlaufende Temperatur-Umkehrstelle zu tief liegen dürfte. Sie wurde in einer späteren Messung bei 62 °C festgestellt. Dies ist jedoch nicht unbedingt nachteilig, da bei AT-Quarzschnitten mit einem Umkehrpunkt von 75 °C - wie z. B. beim Typ CR- 27/U - der Temperaturkoeffizient wesentlich ungünstiger ist, wenn die Umkehrtemperatur von so einfachen Thermostaten wie dem hier verwendeten, nicht exakt erreicht wird.
Bild 2: Frequenzverhalten der Quarzzeitbasis beim Aufheizen des Thermostaten
Im Dauerbetrieb treten durch die Temperaturzyklen des Thermostaten periodische Frequenzabweichungen auf, die in Bild 3 dargestellt sind. Die Frequenz-Ungenauigkeit beträgt ± 1×10-7
Bild 3: Periodische Frequenzänderungen durch die Temperaturzyklen des Thermostaten
Bei Änderungen der Oszillator-Betriebsspannung treten folgende Frequenzänderungen auf:
| UB | Δf/fo |
|---|---|
| 4,5 V | - 0,7×10-6 |
| 5,0 V | 0 |
| 5,5 V | + 1×10-6 |
Das ergibt ungefähr ±1×10-6/± 0,5 V. Die Betriebsspannung sollte demnach um nicht mehr als ±0,05 V schwanken oder mit Brummspannung überlagert sein. Zur Stromversorgung eignet sich eine integrierte Regelschaltung, z. B. nach (2).
Die bei Kurzschluß des 1-MHz-Ausgang Pt3 mit Masse auftretende Frequenzabweichung ist <10-8.
Der Abstimmbereich durch die Kapazitätsdiode beträgt 1,3×10-6 bei einer Spannungsänderung zwischen 0 V und 5 V. Falls diese Diode nicht benutzt wird, sollte sie an die stabilisierte Betriebsspannung von 5 V gelegt werden. Sie kann auch weggelassen und stattdessen eine Drahtbrücke eingesetzt werden.
Die Belastung des Quarzes beträgt in dieser Schaltung etwa 0,2 mW, was ausreichend unter dem Wert von 0,5 mW liegt, den die Fa. KVG für ihre Präzisionsquarze als Maximalbelastung bei hohen Anforderungen an die Langzeitkonstanz angibt.
Schließlich wurden noch die Quarz-Ersatzdaten in a π-Schaltung nach DIN 45105 bestimmt:
Quarz: XS 0605, 1 MHz, 75 °C
R1 = 205 Ω ±10 %
L1 = 3,0 H ± 10 %
Minimalimpedanz-Frequenz: 999, 8832 kHz
Q ≈ 90000
4. Aufbau
Die in Bild 1 gezeigte Schaltung kann auf der 65 mm × 50 mm großen Leiterplatte DJ1JZ 001 (Bild 4) aufgebaut werden. Bei Verwendung des Thermostaten befindet sich der Quarz im Thermostaten statt in der Leiterplatten-Quarzfassung.
Bild 4: Leiterplatte und Bestückungsplan der Quarzzeitbasis
Einen solchen Aufbau zeigt die Fotografie in Bild 5. Vom Thermostaten führen die zwei Quarzanschlüsse zur Leiterplatte; die zwei Heizanschlüsse sind an Durchführungskondensatoren im Teko-Gehäuse gelegt. Der 1-MHz- und der 100-kHzAusgang der Platine sind mit kapazitätsarmen Durchführungen verbunden, die Betriebsspannung und die Abstimmspannung werden über Durchführungskondensatoren zugeführt.
Bild 5: Musteraufbau der Quarzzeitbasis von DJ1JZ
4.1. Hinweise zu den Bauteilen
| T1, 2, 3 | BF 224 (TI), BF 173 oder ähnliche HF-Typen |
| D1 | BA 124, BA 125 (AEG-Tfk), 1 N 5472 A oder ähnliche (ca. 50 pF) J 1: SN 7490 N (Dekadenzähler) |
| C1, 6 | 270 pF Styroflex-Kondensator |
| C2 | 2 - 13 pF Lufttrimmer für gedr. Schaltung (Tronser) |
| C3 | 33 pF keram. Kondensator NP 0 |
| C4 | 150 pF Styroflex-Kondensator (Siemens) |
| C5, 8, 10 | 1 nF keram. Kondensator, Raster 5 mm |
| C7, 9, 11 | 1 µF bis 4,7 µF Tantalelko-in Tropfenform |
| Quarz | siehe Abschnitt 2 |
| Thermostat | XT-1 oder XT-2 zur Aufnahme von max. 2 Quarzen im Halter HC-27/U oder HC-6/U (KVG) |
Anschlußschema:
5. Literatur
- E. Schmitzer, "Ein Empfänger für den 200-kHz-Sender Droitwich zum Synchronisieren von 1- MHz-Oszillatoren", UKW-Berichte 11 (1971), H.4, S.228 - 235
- H. Kahlert, "Universalnetzteil mit integrierter Regelschaltung", UKW-Berichte 10 (1970), H.4, S.240 - 243
- Deutsche Normen DIN 45 105 und 45 102 Beuth-Vertrieb, Berlin W 15
DL1XX, R. Görl und DJ1JZ, B. Rößle.