Quarzofen
Ein beheizter Quarzoszillator, manchmal auch als Quarzofen und {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Vorlage:lang:103: attempt to index field 'wikibase' (a nil value) (OCXO) bezeichnet, ist ein Quarzoszillator, der in einer beheizten und temperaturgeregelten Kammer untergebracht ist. Die in Quarzoszillatoren eingesetzten Schwingquarze unterliegen einer kleinen, für präzise Anwendungen jedoch bedeutsamen thermischen Abhängigkeit der Schwingkreisfrequenz, was auch als thermische Drift bezeichnet wird. Durch das Regeln der Temperatur des Schwingquarzes und der Oszillatorschaltung auf einen Wert über der Raumtemperatur, kann die Schwingkreisfrequenz stabilisiert und so eine höhere Genauigkeit als ohne Heizung erzielt werden.
Allgemeines
Im Gegensatz zu temperaturkompensierten Quarzoszillatoren (TCXO), welche die störenden temperaturbedingten Frequenzabweichungen mittels einer Temperaturmessung und kalibrierten Korrekturwerten minimieren, wird bei einem beheizten Quarzoszillator der Temperatureinfluss durch eine aktive Heizung und das Halten der Temperatur auf konstant hohem Niveau minimiert. Anwendungen von beheizten Quarzoszillatoren sind unter anderem einfache Frequenznormale und digitale Frequenzzähler, wo eine höhere Genauigkeit als bei nicht stabilisierten Schwingquarzen benötigt wird und zugleich eine geringere Genauigkeit als bei Atomuhren tolerierbar ist.
Die typische Betriebstemperatur liegt bei +75 °C, kann aber je nach konkretem Typ und Anwendung im Bereich von +30 °C bis +85 °C liegen und wird mit dem Quarzhersteller abgestimmt.<ref name="oven1"/> Als Quarzschnitte für die im Ofen eingesetzten Quarze kommen der AC-Schnitt und SC-Schnitt zur Anwendung. Ein Auswahlkriterium für die Temperatur zur Steigerung der Stabilität ist jener Betriebspunkt, wo die Quarzfrequenz als Funktion der Temperatur keine oder nur eine möglichst kleine Steigung aufweist. Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn Leistungstransistoren statt Heizwiderständen als Heizelement im Ofen eingesetzt werden. Der Grund liegt darin, dass die Verlustwärme von bipolaren Leistungstransistoren direkt proportional zum Strom ist, während bei Heizwiderständen eine quadratische Abhängigkeit vorliegt. Die quadratische Abhängigkeit erschwert das Konstanthalten der Temperatur.<ref name="Frerking"/>
Die Kurzzeitstabilität von beheizten Quarzoszillatoren über einige Sekunden liegt bei rund 10−12, die erreichbare Langzeitstabilität liegt im Bereich von 10−8, welche je nach Type nach einigen Stunden bis einigen Tagen in Betrieb erreicht wird. Der relative Wert 10−8 entspricht einer maximalen Abweichung von 1 Hz bei einer Oszillatorfrequenz von 100 MHz.<ref name="nist1"/>
In folgender Tabelle aus <ref name="ieee_li-precision_frequency_generation"/> sind die Daten einiger Oszillatoren im Vergleich zusammengestellt:
| Oszillatortyp | rel. Messunsicherheit | Alterung / 10 Jahre |
|---|---|---|
| Quarzoszillator | 10−5 bis 10−4 | 10 bis 20 ppm |
| Quarzofen (OCXO) 5 bis 10 MHz 15 bis 100 MHz |
2 × 10−8 5 × 10−7 |
2 × 10−8 bis 2 × 10−7 2 × 10−6 bis 11 × 10−9 |
| Rubidium-Atomuhr<ref name="ieee_li-precision_frequency_generation"/> | 10−9 | 10−12 bis 10−11 |
| GPSDO<ref name="zti_z300r7"/> | 4 × 10−8 bis 10−11<ref name="spectruminstruments_net-tm3specs"/><ref name="leapsecond_ds58540a"/> | 10−13 |
| Chip-Scale-Atomic-Clock (CSAC) | 2,5 × 10−10<ref name="appp1">Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref> | |
| Atomuhr (Cs)<ref name="ieee_li-precision_frequency_generation"/> | 10−11 bis 10−12 | 10−12 bis 10−11 |
Historisch und vor der Verfügbarkeit von Atomuhren wurden beheizte Quarzoszillatoren in mehrfacher Ausführung als Frequenznormal verwendet, unter anderem setzte die National Institute of Standards and Technology im Jahr 1929 mehrere OCXOs mit einer Betriebsfrequenz von 100 kHz ein.<ref name="nist2"/>
Literatur
- Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Das Große Quarzkochbuch. Franzis-Verlag, 1997, ISBN 3-7723-5853-5 (Online).
Einzelnachweise
<references> <ref name="nist1"><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Time and Frequency from A to Z ( des Vorlage:IconExternal vom 15. September 2008 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis., NIST glossary (englisch).</ref> <ref name="oven1">Temperature Controller for Crystal Oven, FreeCircuitDiagram vom 2. Mai 2009 (englisch).</ref> <ref name="ieee_li-precision_frequency_generation">Vorlage:Cite book/Name: [Internetquelle: archiv-url ungültig Tutorial Precision Frequency Generation Utilizing OCXO and Rubidium Atomic Standards with Applications for Commercial, Space, Military, and Challenging Environments IEEE Long Island Chapter March 18, 2004.] (PDF; 4,2 MB) , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 31. Januar 2011.Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung 091116 ieee.li</ref> <ref name="zti_z300r7">Vorlage:Cite book/Name: [Internetquelle: archiv-url ungültig z300 High Precision Time Server synchronized by GPS.] (PDF; 512 kB) , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 31. Januar 2011. Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung 091117 zti-telecom.com</ref> <ref name="spectruminstruments_net-tm3specs">Vorlage:Cite book/Name: [Internetquelle: archiv-url ungültig Time and Frequency - Precisely the Way You Need It Time and Frequency - Precisely the Way You Need It.] (PDF; 188 kB) , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 31. Januar 2011.Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung 091118 spectruminstruments.net</ref> <ref name="leapsecond_ds58540a">Vorlage:Cite book/Name: [Internetquelle: archiv-url ungültig GPS Time and Frequency Reference Receiver.] (PDF; 2,1 MB) , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 31. Januar 2011.Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung 091118 leapsecond.com</ref> <ref name="Frerking">Marvin E. Frerking: Fifty years of progress in quartz crystal frequency standards. In: Proceedings of the 1996 IEEE International Frequency Control Symposium. Institute of Electrical and Electronic Engineers, 1996, S. 33–46 (archive.org).</ref> <ref name="nist2">Michael A. Lombardi, Thomas P. Heavner, Steven R. Jefferts: NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second. NIST, 1. Dezember 2007, abgerufen am 16. November 2023.</ref> </references>
