Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Ein Quarzoszillator der Genauigkeitsklasse 10-8
1. Anwendung
Die Anforderungen an die Konstanz und Absolutgenauigkeit von frequenzbestimmenden Bauteilen und Baugruppen in der professionellen Funk- und Meßtechnik sind im letzten Jahrzehnt erheblich gestiegen. Eine ähnliche Tendenz ist im Amateurfunkverkehr zu beobachten. - Kompliziertere Modulationsverfahren, wie zum Beispiel SSB und neue Betriebstechniken (Relaisfunkbetrieb) verlangen höhere Treffsicherheit - insbesondere auf den höherfrequenten Bändern. Hierzu kommt, daß die Digital-Elektronik elegante Frequenzmeß- beziehungsweise Frequenzvergleichs-Verfahren mit numerischer Anzeige auch für den nicht so finanzstarken Interessenten wie den Funkamateur ermöglicht.
In den meisten Fällen mangelt es bei den Besitzern digitaler Frequenzmesser jedoch an einem geeigneten Frequtnznormal, ohne welches genaue Absolutmessungen nicht möglich sind. Die ständige Nacheichung eines billigen Quarzoszillators an einem Normalfrequenzsender erweist sich als sehr unpraktisch und kann - wenn überhaupt möglich - mangels geeigneter Ausbreitungsbedingungen nicht zu jeder Zeit durchgeführt werden. Der zunehmende Trend zur Frequenzsynthese und die Abkehr von der Vielquarztechnik sprechen ebenso für einen einzigen Quarzoszillator in der Station mit kurzer Einlaufzeit (weniger als 10 Minuten) und hoher Wiederkehrgenauigkeit.
Einen Quarzoszillator ständig in Betrieb zu lassen und als Nebenprodukt eine Digitaluhr mitzubetreiben ist aus folgenden Gründen nicht sinnvoll:
Am Netz betriebene Synchronuhren sind in der Langzeitkonstanz genauer als eine für den Amateur erschwingliche Quarzuhr, weil heutzutage die Netzfrequenz von Quarzuhren hoher Genauigkeit kontrolliert und nachgestellt wird. Zum anderen ist die Alterungsrate eines dauernd schwingenden Quarzes wesentlich höher als die eines gut eingelaufenen aber nicht schwingenden Exemplares. Da der Funkamateur sein Frequenznormal nur gelegentlich, vielleicht über einige Stunden hinweg' benutzt, bleibt die angestrebte Absolutgenauigkeit lange erhalten, wenn man annimmt. daß die Alterungsrate während dieser kurzen Betriebszeit vielleicht 10-9
pro Stunde beträgt.
Aus dieser Sicht wurde das vorliegende Frequenznormal entwickelt, welches im Preis bei den dafür gebotenen Eigenschaften in Relation zum übrigen technischen Aufwand bei Amateurfunkstationen sehr niedrig gehalten werden konnte. Ein Bausatz dafür ist jedoch nicht vorgesehen, da die meisten Amateure wegen der dazu erforderlichen Meßgeräte nicht in der Lage sein dürften, den Oszillator hinsichtlich Temperaturverhalten, Quarzbelastung und Regelcharakteristik richtig einzustellen. Schließlich des besseren Verständnisses wegen noch einige Klarstellungen: Die Begriffe Alterungsrate, Stabilität, Stabilisierungsfaktor usw. müssen auf eine weitere physikaAitsche Größe bezogen werden, wie zum Beispiel /Tag für die Alterungsrate; /°C für die Temperaturstabilität beziehungsweise den Temperatur-Koeffizienten oder /V für die Stabilität gegen Versorgungsspannungs-Schwankungen. Man kann deshalb auch nicht mit einer Angabe allein die Genauigkeit eines Frequenznormals vollständig beschreidbpn. Lediglich Begriffe wie Treffsicherheit, Absolutgenauigkeit kann man mit , also dimensionslos angeben.
2. Der Schwingquarz
Der Thermostatenraum der hier beschriebenen Baugruppe ist für den Halter HC-6U beziehungsweise HC-36U ausgelegt und kann daher im Zusammenwirken mit der Schaltung alle Grundwellenquarze von 200 kHz bis 20 MHz aufnehmen. Der Betrieb von Oberwellen-Normalquarzen ist nicht vorgesehen, da deren Vorzüge - bessere Stabilität gegen veränderliche Schaltungsparameter - erst bei noch höheren Genauigkeitsklassen voll zum Tragen kommen. Dies müßte aber wiederum durch einen höheren Schaltungs- und Thermostatenaufwand erkauft werden.
Ganz oberflächlich kann man sagen; je höher die Quarzfrequenz, desto höher die Stabilität. Die genauen Verhältnisse sind etwa so: Die Stabilität eines Schwingquarzes gegen Temperaturänderungen hängt wesentlich vom angewandten Quarzschnitt ab. Die einzelnen Schnittarten können jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nur für bestimmte Frequenzbereiche benutzt werden; davon ist der im Frequenzbereich von 800 kHz aufwärts angewandte AT-Schnitt gegen Temperaturänderungen am stabilsten. Der Verlauf Temperatur - Frequenz entspricht einer Parabel 3. Ordnung, deren Wendepunkt bei 27 °C liegt und dessen ziemlich flach verlaufendes Minimum als Temperatur-Umkehrpunkt zum Thermostatenbetrieb besonders geeignet ist.
Alle übrigen Quarzschnitte in diesem Frequenzbereich (200 kHz bis 20 MHz) haben einen Temperatur - Frequenz- Verlauf entsprechend einer Parabel 2. Ordnung; der Temperaturkoeffizient /°C ist dabei wesentlich höher. Eine Ausnahme bildet lediglich der sehr teure, heute aber kaum noch gefertigte GT-Schnitt.
Ein weiterer und vielleicht der wesentliche Punkt ist die Quarzalterung. Diese hängt in erster Linie von der Sorgfalt der Quarzherstellung ab. Die Quarzalterung äußert sich in der Regel als ständige Frequenzzunahme, die auch nach monate- und jahrelangem Betrieb nicht völlig abklingt. Man kennt die genauen Gründe der Quarzalterung bis heute nicht restlos; sicher ist aber, daß von der durch die Bearbeitung zerstörten Quarzoberfläche durch die mechanische Beanspruchung beim Betrieb kleinste Teilchen abbröckeln, so daß der Quarz ständig Masse verliert. Damit wird auch verständlich, warum eine geringe Quarzbelastung (kleine Schwingamplitude) angestrebt werden muß. Quarze mit niedriger Alterungsrate haben meist - aber nicht zwangsläufig - auch einen hohen Gütefaktor. Dies ist wiederum günstig, weil die Rückkopplung dadurch sehr klein gehalten werden kann.
Rein empirisch ist die erzielbare Genauigkeit in Abhängigkeit von der Güte:
Das bedeutet, daß für eine Genauigkeitsklasse von 10-8 Quarze mit einer Güte von min. 100 000 verwendet werden sollten. Bezogen auf einen durch den Halter vorgegebenen Durchmesser des AT,.Plättchens, wächst die Güte eines Schwingquarzes mit der Frequenz. Alles in allem scheint daher ein entsprechend präzise gefertigter Quarz um 5 MHz besonders günstig zu sein.
3. Die Schaltung
Die Diskussion über die zweckmäßigste Quarzoszillatorschaltung ist so alt wie die Quarztechnik selbst. Dabei entzünden sich die Meinungsverschiedenheiten hauptsächlich an der Frage, ob der Quarz in Serien- oder Parallelresonanz betrieben werden soll - der berühmte Streit um des Kaisers Bart, denn einnotwendigerweise "gezogener", das heißt in seiner Arbeitsfrequenz durch äußere Schaltmittel abgeglichener Quarz schwingt weder mit seiner Parallel- noch mit seiner Serienresonanz.
Bild 1: Ersatzschaltbild des Schwingquarzes
Bei Betrachtung des Ersatzbildes eines Schwingquarzes (Bild 1) kann man sich das vereinfacht klarmachen: Die Serienresonanz des Quarzes wird aus L und C1 gebildet wenn 
ist.
Andererseits kann man aber auch eine Parallelresonanz herleiten, nämlich durch Serienschaltung von C1 und Co (Halterkapazität), also wenn 
ist.
Diese Parallelresonanz kann aber im praktischen Betrieb deshalb nicht erreicht werden, weil durch die zwangsläufige äußere Beschaltung des Quarzes zur Anregung im Oszillator Reaktanzen parallel zum Quarz liegen. Die gesamte Oszillatorschaltung schwingt dann eben mit der Frequenz, bei welcher der Quarz zusammen mit seinen Blindwiderständen reell ist.
Aus Platzgründen, der Möglichkeit große Variationsbereiche beim Ziehen zu erzielen und wegen der besseren Auswahl hinsichtlich des Temperatur-Koeffizienten werden vorwiegend kapazitive Rückkopplungsschaltungen angewandt. Der Quarz schwingt dann auf dem induktiven Ast seines Blindwiderstandverlaufs, also irgendwo zwischen der Serien- und Parallelresonanzfrequenz (Bild 2). Es wäre deshalb falsch, die Stabilität eines Quarzoszillators allein nach den Kriterien des Quarzes zu beurteilen. Vielmehr kommt es darauf an, den "Stabilisierungsfaktor" des Quarzes in der Schaltung möglichst hoch zu halten. Mit anderen Worten: Änderungen der Betriebsparameter, wie Versorgungsspannung, Kapazitäten usw. sollen einen möglichst geringen Einfluß auf die Arbeitsfrequenz ausüben. Unter diesen Bedingungen reicht es dann aus, allein den Schwingquarz und die zum Ziehen verwendete Kapazitätsdiode bei stabiler Temperatur zu betreiben. Die kleine Wärmekapazität dieser beiden Bauteile erlaubt kurze Aufwärmzeiten.
Bild 2: Blindwiderstandvarlauf des Schwing-Quarzes
fs = Serienresonanz fp = Parallelresonanz
Noch ein Wort zur Quarzbelastung: Ganz abgesehen davon, daß sich der schwingende Quarz über seinen Wirkwiderstand selbst aufheizen kann - wie übrigens mehr oder weniger jedes in einer Schaltung betriebene elektrische Bauteil - und zwar um mehrere Grad Celsius bei einer Quarzbelastung, die noch erheblich unter der Zerstörungsgrenze liegt, ist es von größter Wichtigkeit hinsichtlich der Alterungsrate, die Quarzbelastung so gering wie möglich zu halten. Werte von 100 µW oder weniger sollten angestrebt werden.
Was man von den häufig publizierten Schaltungen eines mit NAND-Gattern (wie SN7400) zu Schwingungen "gequälten" Quarzes zu halten hat, soll hier nicht erörtert werden. Jedenfalls gibt es zur Zerkleinerung von kristallinem Quarz wirtschaftlichere Methoden.
4. Der Thermostat
An die Temperaturstabilisierung von Quarzoszillatoren der Genauigkeitsklasse 10-8 werden bereits hohe Anforderungen gestellt. DieAufheizzeit soll zur schnellen Betriebsbereitschaft möglichst kurz sein. Der Wärmedurchgriff des Thermostaten muß so günstig gestaltet werden, daß die Umgebungstemperatur-Schwankungen im Innenraum des Thermostaten Temperaturänderungen von höchstens 1/10 °C hervorrufen, wenn man annimmt, daß der Teperaturkoeffizient des des Quarzes in der Nähe Umkehrpunktes etwa ≈ 1 × 10-7 ist.
In diesem Bereich sind dann auch alterungsbedingte Temperaturverschiebungen der Gesamtanordnung hinreichend berücksichtigt. Außerdem ist die Einstellung der Solltemperatur so vorzusehen, daß diese in einem Bereich von etwa ±5 °C mit einer Auflösung von 1/10 °C justiert werden kann. Mit Bimetall-Zweipunktreglern sind derartige Forderungen nicht erfüllbar: Die systembedingte Temperatur-Restwelligkeit (1) wird nur dann zum Minimum, wenn die Heizleistung eben so groß ist, daß unter Berücksichtigung der Wärmeabgabe des Systems an die Umgebung die Solltemperatur gerade gehalten werden kann. Wirksame Schnellaufheizung müßte daher mit einer zusätzlichen und abschaltbaren Heizwicklung erkauft werden. Präzise Justierungen an kleinen Bimetall-Thermometern auf 1/10 °C sind praktisch unmöglich. Es bleibt demnach nur die proportionalregelnde Temperaturstabilisierung.
Als Temperaturfühler wird ein Heißleiter verwendet, der möglichst hochohmig sein sollte, um die Eigenerwärmung durch den unvermeidlichen Meßstrom im Heißleiter gering zu halten. Der Regelverstärker ist als Gleichspannungsverstärker aufgebaut, dessen Leistungsendstufe zur "Kühlung" am Thermostatengehäuse angebracht ist. Eine eigene Heizwicklung wird dadurch vermieden.
Wärmefühler, Thermostatengehäuse, Quarz, Kapazitätsdiode und Leistungstransistor sind so zusammengebaut, daß eine möglichst gute Wärmeleitung zwischen den Bauteilen besteht und das Ganze eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweist.
Die aus dem Thermostatengehäuse herausragende Quarzfassung hat auf die Genauigkeit der Regelung keinen nennenswerten Einfluß, weil die Wärmeableitung der elektrischen Zuleitungen vom Quarz nach außen durch dessen nahezu punktförmige Halterung sehr gering ist.
Eine unerwünschte Eigenschaft des Thermostaten soll hier nicht verschwiegen werden: Sprunghafte Änderungen der Heizung, sei es durch Temperaturstörung oder durch Spannungsschwankungen, führen zu einem verhältnismäßig großen Überschwingen in der Frequenz. Dies ist nicht allein durch die Regelanordnung - deren Überschwingen am Heizstrom beobachtet werden kann - zu erklären. Die Ursache ist wahrscheinlich in der Inhomogenität der Aufheizung beziehungsweise Abkühlung des Quarzelements zu suchen. Im Quarz bildet sich vorübergehend ein Temperaturgefälle (Gradient) aus, was zu Frequenzänderungen führen kann, die nichts mit dem nach dem Schnittwinkel zu erwartenden Verlauf zu tun haben. Dies wird insbesondere beim Anheizen deutlich. Da der Quarz (AT-Schnitt) im Umkehrpunkt betrieben wird, dürfte sich beim Einlauf die Frequenz nur bis zur eingestellten Endfrequenz verringern und müßte, wenn eine Temperatur-Überregelung vorhanden ist, wieder zunehmen. Das gemessene Einlaufverhalten (Bild 3, die beiden um zwei Zehnerpotenzen verschiedenen Ordinaten beachten!) zeigt dies aber nicht. Dieser "Schönheitsfehler" des Thermostaten bleibt aber deshalb ohne Bedeutung, weil die Frequenzschwankungen bei nur normalem Betrieb unter = 10-8 bleiben und weil diese Einschwingvorgänge völlig hysteresefrei sind und daher zu keiner bleibenden Regelabweichung führen.
Bild 3: Einlaufcharakteristik des Oszilfators
5. Ausführung
Bild 4 zeigt das Gesamtschaltbild von Oszillator und Thermostat. Der Quarz wird in einer abgewandelten Pierce-Schaltung, mit Transistor T4 in Basisschaltung erregt. Die Frequenz-Grobabstimmung erfolgt an dem Trimmer C2 beziehungsweise bei größeren Abweichungen durch Auswechseln des Kondensators C3. Zur Feinabstimmung ist die Kapazitätsdiode D1 vorhanden, deren Vorspannung an einem Präzisionspotentiometer (R26) eingestellt werden kann.
Bild 4: Gesamtschaltbild von Oszillator und Thermostat
Die Rückkopplungskondensatoren C5 und C6 sind so bemessen, daß einerseits sicher Schwingungseinsatz erfolgt und andererseits die temperaturabhängigen Halbleiterkapazitäten hinreichend geshuntet sind. Für den Widerstand R14 wird für jeden Quarz ein individueller Wert ausgesucht, der die richtige Quarzbelastung ergibt.
Die Signalauskopplung erfolgt am Emitter von T4. An diesem Schaltungspunkt hat die Hochfrequenzspannung bei richtiger Arbeitspunkteinstellung einen nahezu unverklirrten (sinusförmigen) Verlauf. In einem anschließenden zweistufigen, aperiodischen Verstärker wird das Signal auf etwa 1 V (Effektivwert) gebracht und niederohmig ausgekoppelt.
Der Ist-Sollwertvergleich der Temperaturregelung erfolgt in einer Differenzverstärkerstufe, gebildet aus den Transistoren T1 und T2. Mit den Widerständen R1 bis R3 wird die gewünschte Thermostatentemperatur eingestellt, durch Parallelschalten von R6a zu R6 die erforderliche Regelverstärkung beziehungsweise der Anheizstrom. Der von der Differenzverstärkerstufe angesteuerte Leistungstransistor T heizt mit seiner Verlustwärme das Thermostatengehäuse.
Alle benötigten Versorgungsspannungen, mit Ausnahme der des Heiztransistors werden der Stabilisierungsschaltung (T7, T8, D2) entnommen.
Die ganze Schaltung einschließlich Thermostat ist auf einer einseitig beschichteten Epoxydharzplatine der Größe 115 mm × 50 mm untergebracht und diese wiederum in einem Leichtmetallgehäuse 125 mm × 55 mm × 55 mm (Bild 5). An einer Stirnseite befindet sich die Signalauskopplung über eine BNC-Buchse, auf der anderen Stirnfläche die Anschlußdurchführungen sowie die Potentiometerachse mit Schraubenziehereinstellung zur Frequenzkalibrierung.
Bild 5: Mustergerät bei abgenommenen Gehäusedeckel
6. Abgleich der Baugruppe
Obwohl es den meisten Funkamateuren nicht möglich sein wird, diesen Fertigungsabschnitt nachzuvollziehen, soll er hier umrissen werden. Dies bietet eine hinreichende Erklärung dafür, warum ein Bausatz für diese Schaltung mit gutem Gewissen nicht vorgesehen werden konnte.
Zunächst werden die Ersatzdaten fs, R, C1 und L in einer passiven Resonatorschaltung (Pi-Schaltung) gemessen und daraus die Quarzgüte errechnet. Quarze mit zu niedrigen Güten werden ausgeschieden.
Hierauf erfolgt in einem ständig umgewälzten Wasserbad die Messung des Temperatur-Umkehrpunktes bei steigender und fallender Temperatur. Hierbei werden alle zu hoch oder zu niedrig im Umkehrpunkt liegenden Quarze sowie jene Exemplare, die eine meßbare Hysterese im Umkehrpunkt zwischen Aufheizen und Abkühlen zeigen, ausgeschieden.
Als nächster Schritt muß der Thermostat bis auf etwa 1 bis 2 Grad auf die vorgesehene Quarztemperatur eingestellt werden. Danach wird der Quarz eingesetzt und durch Abgleich von R14 auf eine Belastung von etwa 100 µW eingestellt. Aus den Quarzersatzdaten wurde vorher die am Quarz zulässige und zur Einstellung zu messende Amplitude errechnet.
Jetzt erst kann, unter Beobachtung der Frequenzänderung, die genaue Thermostatentemperatur einjustiert werden. Diese Einstellung ist sehr zeitraubend, weil das Abklingen des erwähnten Einschwingvorgangs der Temperatur nach jeder Anderung voll abgewartet werden muß.
Hierauf wird die Frequenz grob an C2 und fein an R26 abgeglichen und der fertig montierte Thermostat einem mindestens 14tägigen Dauerbetrieb unterworfen. Die Frequenzabweichungen werden einmal täglich notiert. Erst wenn die Alterungsrate deutlich unter 10-8/Tag zurückgegangen ist, kann die Baugruppe ausgeliefert werden. Exemplare deren Alterungsrate auch nach 30 Tagen nicht unter dem genannten Wert liegt, werden ausgeschieden.
7. Einstellung der Frequenz
Nach Verlassen der Fertigung wird die Baugruppe auf besser als 10-8 bei einer Versorgungsspannung von 18 V abgeglichen. Maan muß aber damit rechnen, daß der Quarz nach geraumer Zeit um 10-7 bis 10-6 gealtert sein kann; das heißt, daß das Normal in der Frequenz gelegentlich korrigiert werden muß.
Über Verfahren zur Frequenzeinstellung nach Normalfrequenzsendern ist so viel veröffentlicht worden, daß hier nur an einige Grundsätze erinnert werden soll:
Langwellige Normalfrequenzsendungen wie DCF 77,5 kHz, Deutschlandfunk 151 kHz und Droitwich 200 kHz sind den kurzwelligen Ausstrahlungen unbedingt vorzuziehen. Von diesen ist wiederum der örtlich nächstgelegene am vorteilhaftesten: Durch die Ausbreitungswege der Funkwellen können innerhalb der Meßzeit Laufzeitänderungen auftreten, welche eine Frequenzabweichung (bis zu 10-7 auf Kurzwelle) vortäuschen. Starkem Fading unterworfene Signale sollte man daher von vornherein meiden. Langwellige Signale haben allerdings den Nachteil, daß die Beobachtungszeit für eine Genauigkeit von 10-8 sehr groß wird. Bei einem 100 kHz-Signal beispielsweise ist eine Meßzeit von mindestens 1000 Sekunden erforderlich!
Abschließend zwei Möglichkeiten zum Normalfrequenzvergleich:
Man empfängt das Langwellen- Normalfrequenzsignal in einem Geradeausempfänger mit angezogener Rückkopplung und vervielfacht die synchronisierte Audionschwingung auf eine möglichst hohe Frequenz. Diese mißt man mit einem Zähler, welcher als Zeitbasis das einzustellende Sekundärnormal hat.
Die aus einem Geradeausempfänger erhaltene Normalfrequenz wird einer Phasenvergleichsstufe zugeführt und mit einer harmonisch zur Normalfrequenz liegenden, aus dem einzustellenden Oszillator abgeleiteten phasenstarren Frequenz verglichen. Mit einem am Phasendiskriminator angeschlossenen Zeigerinstrument kann die Schwebung beobachtet und gestoppt werden.
8. Technische Daten
| Frequenz | 5 MHz (auf Wunsch 1 MHz bis 20 MHz) |
| Quarz | AT-Schnitt, Grundwelle |
| Quarzhalter | HC-36U |
| Frequenzeinstellung mechanisch | ca. 3 × 10-5 |
| Frequenzeinstellung elektrisch | ca. 1 × 10-6 |
| Ausgangsspannung | ca. 1 V sinusförmig Innenwiderstand: ca. 200 Ω |
| Arbeitstemperaturbereich | -20 bis + 40 °C |
| Frequenzabweichung durch Alterung | kleiner als 1 × 10-8/Tag nach 24 Stunden Einlauf |
| Frequenzabweichung durch Temperatur | kleiner als 1 × 10-9/°C |
| Frequenzabweichung durch Versorgungsspannungsänderungen um ±10 % bei 18 V | kleiner als 5 × 10-9 |
| Frequenzabweichung durch Belastung Leerlauf/Kurzschluß | kleiner als 1 × 10-8 |
| Frequenzeinlauf nach Einschalten bei 25 °C und Ub = 18 V | |
| Abweichung von der Endfrequenz nach 3 Minuten | kleiner als 10-6 |
| Abweichung von der Endfrequenz nach 6 Minuten | kleiner als 10-7 |
| Abweichung von der Endfrequenz nach 10 Minuten | kleiner als 10-8 |
| Spannungsversorgung | + 14 V bis 28 V gegen Masse |
| Anheizstrom | 700 bis 900 mA |
| Arbeitsstrom | kleiner als 150 mA bei 18 V |
| Abmessungen | 125 mm × 55 mm × 55 mm |
| Gewicht | ca. 200 g |
9. Literatur
- Görl, R. und Rößle, B.: Ein stabiler Quarzoszillator der Genauigkeitsklasse 10-7 zur Frequenz- und Zeitmessung, UKW-Berichte 12 (1972) Heft 1, S. 22 - 27
- Rint: Handbuch für HF- und E.-Techniker Band II, S. 160 - 226 Verlag für Radio-, Foto-, Kinotechnik, Berlin
- Telefunken Laborbuch Band 1, S. 329 - 337 Franzis-Verlag, München
- Schmitzer, E.: Ein Empfänger für den 200-kHz-Sender Droitwich zum Synchronisieren von 1-MHz-Oszillatoren, UKW-Berichte 11 (1971) Heft 4, S. 228 - 235
DL1XX, Reinhard Görl.