BG7TBL GPSDO mit OCXO aus China

Vor einiger Zeit habe ich mir ein GPSDO (GPS Disciplined Oscillator) aus China bestellt. Es ist im Prinzip ein OCXO, welches regelmässig von der GPS Zeit diszipiniert wird, also genau eingestellt. In den GPS Satelliten befinden sich Cäsium-Frequenznormale, deren Langzeitgenauigkeit an die meisten GPS Empfänger weitergegeben wird. Diese können das Signal ausführen, entweder als 1PPS (1 Puls Per Second) oder z.B. 10kHz, auch gerne 1MHz oder direkt 10MHz, welches weiter verwendet werden kann.

Dieses genau Signal wird bei dem, von mir gekauften, GPSDO über einen Zeitraum von 2000 Sekunden immer wieder mit dem eigenen OCXO-Signal phasengenau verglichen und gegebenfalls der OCXO langsam korrigiert, damit keine grossen Sprünge entstehen. Ein OCXO ist ein beheizter Quarzoszillator, der durch die stabile Temperatur auch eine stabile Resonanzfrequenz hat.

Das aus dem GPSDO ausgeführte, genormte 10MHz Signal kann dann später als eine Referenz bei Signal- und Funktionsgeneratoren, Spektrumanalysatoren und Frequenzzählern/Countern verwendet werden. Diese haben dafür einen speziellen 10MHz Eingang meist in Form einer BNC-Buchse.

Als ich allerdings das gleiche Signal mit einem Frequenzzähler messen wollte, habe ich erstmal erwartet, dass der Zähler die ganze Zeit immer nur genau 10MHz anzeigt. Dies war aber nicht der Fall. Die Anzeige “schwamm” hin und her, teilweise um einiger mHz. Die kurzzeitstabilität war nicht unbedingt in dem Bereich, den ich erwartet hätte. Auch war der OCXO, obwohl relativ stabil, doch noch für Temperaturänderungen anfällig, es reichte sich an den Tisch zu setzen, auf dem er lag, und schon war man 0.2-0.3mHz daneben, einfach durch die abgestrahlte Körperwärme.

Irgendwann, einige Monate danach, habe ich einen Rubidium-Oszillator besorgt mit der Annahme den am GPS auch disziplinieren zu können. Lange Geschichte, aber es ging nicht so einfach. Am Ende habe ich es dann über einen kleinen PC (später mit Arduino geplant) realisiert. Als ich das Signal dann als Referenz eingespeisst habe, und gleichzeitig gemessen, da blieb die Anzeige fast immer bei ganz genau 10MHz stehen (abgesehen von wenigen Quantisierungsfehlern).

Somit habe ich jetzt alles nacheinander geschaltet, der GPSDO liefert 1PPS (1Hz) an den RBO, dieser wird dann mit externer Berechnung an das Signal dauerhaft synchronisiert. Somit steht mit eine stabile und gleichzeitig genaue 10MHz Referenzquelle zur Verfügung.

DC Referenz mit dem AD584 IC

Der IC mit der banalen Bezeichnunt AD584 ist eine hochpräzise 4-Kanal DC Spannungsreferenz. Es kann 2.5V, 5.0V, 7.5V und 10.0V ausgeben, wobei zwischen 7.5V und 10.0V umgeschaltet werden kann (muss). Meiner wurde bereits auf einer Platine geliefert, an der noch 3x SMA-Buchse hing, diese habe ich kurzerhand gleich abgelötet.

Foto der Platine

Die Schaltung selbst braucht etwa 15V DC zum Funktionieren, nimmt sich aber nur 1.3mA, wovon sich das Meiste wohl die LED nimmt.

Stromverbrauch

Bei der Herstellung werden die Werte mit einem Laser getrimmt, sodass es ziemlich genau ist. Geliefert wird es dennoch mit einem Aufkleber, auf dem die, mit einem kalibrierten Messgerät, gemessenen Werte drauf stehen.

Ich habe die Werte mit verschiedenen Messgeräten überprüft, sie stimmen teilweise bis auf die letzte Stelle.

In dem geschirmten Metallgehäuse befindet sich der IC, genauer der AD584JH, der mit 0.3% Genauigkeit angegeben ist.

Daten bei Digi-Key

Hier sieht man auch, was sich in dem Metallgehäuse verbirgt:

Zoom auf den IC

Näheres zur Frequenzmessung

Einen Frequenzzähler oder Frequenzanzeige hat schon sicherlich jeder von uns mal gesehen. Im Prinzip zeigt die die Frequenz eines Signals, eine eingestellte Radiofrequenz, oder auch die gehörte Frequenz, wie z.B. beim Gitarrenstimmgerät.

Man könnte meinen, sowas ist heutzutage ziemlich einfach. Frequenzmessung ist meist Zählen der Ereignisse in einem bestimmten Zeitraum (meist 1 Sekunde) und die Anzeige des Ergebnisses.

Was kann dabei schiefgehen? Nun, so ziemlich viel, je genuer man das Ergebnis haben will. Von freischwingenden und “wandernden” Quarzen angefangen, bis zu relativistischen Auswirkungen der Gravitation ist alles möglich.

Unabhängig von der Anzahl der Stellen vor und nach dem Komma unterscheiden sich die Zähler noch durch die Zählmethode. Langsame Frequenzen kann man z.B. viel besser mit der Messung der Periodendauer bestimmen. So kann man z.B. das 50Hz aus dem Stromnetz in nur 20ms messen, und nicht in Minuten.

Alle Zähler haben eine Sache gemeinsam, nämlich die Zeitbasis. Diese läuft sehr oft mit 10MHz, also 10 Millionen “Schritte” pro Sekunde. Diese ist dem Zähler bekannt. Wenn wir jetzt, vereinfacht dargestellt, ein Signal mit z.B. 2 MHz zählen, schaut der Zähler einfach, wie oft ein voller Sinus, Rechteck oder sonstiger wiederholbare Zyklus passiert. Dazu wird das Signal am Anfang aufbereitet, auf eine bestimmte Grösse gebracht und mit sog. Schmitt-Triggern verarbeitet. Diese erzeugen einen genormten Impuls, meist aus dem Null-Übergang der steigenden Flanke des Signals. Dieser schon “gesäuberte” Signal wird dem Zähler zugefügt, und er zählt einfach, wie oft dieser Übergang stattfindet, während 10 Millionen Zyklen seiner Zeitbasis vergehen. Das ist die einfachste aller Zählungen, ein Zähler kann aber auch andere, sogenannte Torzeit, verwenden. Z.B. 1ms, 10ms, 100ms, 1s, 10s oder länger. Meist verwendet man eine Torzeit, aus der man einfach wieder die Anzahl der Zyklen pro Sekunden, nämlich Hz, berechnet und anzeigt.

Man könnte es vergleichen mit jemanden, der am Eingang eines Hauses steht, sich den Sekundenzeiger seiner Uhr anschaut und währenddessen die Menschen zählt, die reingegen. Gehen da 10 Menschen rein in der Minute, so sagt er, dass in 60 Sekunden genau 10 Menschen reingegangen sind.

Allerdings, und das passiert ebenso dem Zähler wie auch dem Menschen, kann es vorkommen, dass, während die 60-te Sekunde auf dem Uhr schlägt, sich ein Mensch zur Hälfte drin und draussen befinden, also genau reingeht und genau in der Tür ist. Der Frequenzzähler hat das gleiche Problem. Angenommen, wir messen eine Frequenz von 20.000001 MHz, also 20MHz und 1Hz, so kann er in der ersten Sekunde 20.000000 MHz (weil er den letzten Zyklus nicht als voll gezählt hat), in der zweiten 20.000001 MHz (weil er den letzten Zyklus doch als voll gewertet hat) und in der dritten 20.000002 MHz (weil er schon vom nächsten MHz einen Zyklus “abgezwackt” hat, der dann fehlt. Dies nennt sich “Quantisierungsfehler” und basiert darauf, dass der einfache Zähler nur volle Zyklen zählt und diese nicht immer richtig als volle einordnet.

Man kann jetzt natürlich länger als 1 Sekunde warten, somit hat man die Genauigkeit erhöht, aber die Messzeit verlängert. Andere verkürzen die Messzeit durch kleineneren Schritt der Zeitbasis, sie haben also z.B. 500MHz und nicht 10MHz als Zeitbasis, somit können sie bis zur höheren Frequenz genau messen.

Noch bessere Zähler messen noch beim letzten Zyklus den Phasenwinkel und errechnen daraus die letzte Stelle mit Nachkommastellen. Das sind aber nur die richtig guten.

Was passiert aber, wenn die Frequenz höher ist, als die Zeitbasis? Man kann dann einen Vorteiler nutzen, er teil die Anzahl der Zyklen vor, durch z.B. 2, 4, 8, 10, 16 usw… Diese Zahl ist dem eigentlichen Zähler bekannt und damit kann er dann das richtige Ergebnis ausrechnen. Die Genauigkeit leider drunter, aber die maximale Frequenz wird erhöht. Diese Option nutzen viele Zähler, die auch einen zusätzlichen Eingang für höhere Frequenzen haben.

Zusammengefasst kann man durch verschiedene Vorgehensweisen einen Frequenzzähler sehr genau bauen und ihn auch genau ein Ergebnis liefern lassen.

Wenn wir uns jetzt die Zeitbasis anschauen, dann kann da alles als Quelle dienen, vom einfachen Quarz bis zur Cäsium-Fontäne. All diese Frequenzstandards haben Vor- und Nachteile. Grob gesagt können die Quantisierungsfehler bei Frequenzmessung von rauschenden oder unstabilen Zeitbasis kommen. Auch hier ergibt eine sehr ruhige Zeitbasis ein genaues Ergebnis.