Quarzofen

Ein beheizter Quarzoszillator, manchmal auch als Quarzofen und englisch Oven Controlled Crystal Oscillator (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

Beheizter Quarzoszillator auf einer Lochrasterplatine
Mehrere historische OCXOs die 1929 als Frequenznormal bei der NIST verwendet wurden

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.[1] 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.[2]

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.[3]

In folgender Tabelle aus [4] sind die Daten einiger Oszillatoren im Vergleich zusammengestellt:

Oszillatortyprel. MessunsicherheitAlterung / 10 Jahre
Quarzoszillator10−5 bis 10−410 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[4]10−910−12 bis 10−11
GPSDO[5]4 × 10−8 bis 10−11[6][7]10−13
Chip-Scale-Atomic-Clock (CSAC)2,5 × 10−10[8] 
Atomuhr (Cs)[4]10−11 bis 10−1210−12 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.[9]

Literatur

  • Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Das Grosse Quarzkochbuch. Franzis-Verlag, 1997, ISBN 3-7723-5853-5 (Online).

Einzelnachweise

  1. ↑ Temperature Controller for Crystal Oven, FreeCircuitDiagram vom 2. Mai 2009 (englisch).
  2. ↑ 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).
  3. ↑ Time and Frequency from A to Z (Memento desOriginals 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.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/tf.nist.gov, NIST glossary (englisch).
  4. ↑ a b c 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) Abgerufen am 31. Januar 2011. 091116 ieee.li
  5. ↑ z300 High Precision Time Server synchronized by GPS. (PDF; 512 kB) Archiviert vom Original am 18. Juli 2011; 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.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.zti-telecom.com 091117 zti-telecom.com
  6. ↑ Time and Frequency - Precisely the Way You Need It Time and Frequency - Precisely the Way You Need It. (PDF; 188 kB) Abgerufen am 31. Januar 2011. 091118 spectruminstruments.net
  7. ↑ GPS Time and Frequency Reference Receiver. (PDF; 2,1 MB) Abgerufen am 31. Januar 2011. 091118 leapsecond.com
  8. ↑ Svenja Knappe, Vishal Shah, Peter D. D. Schwindt, Leo Hollberg, John Kitching, Li-Anne Liew, John Moreland: A microfabricated atomic clock. In: Applied Physics Letters. 85. Jahrgang, Nr. 9, 30. August 2004, ISSN 0003-6951, S. 1460–1462, doi:10.1063/1.1787942, bibcode:2004ApPhL..85.1460K (englisch).
  9. ↑ 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.

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Early NBS crystal oscillator frequency standards.jpg
Four precision 100 kHz quartz crystal oscillators maintained by the US Bureau of Standards (now the National Institute of Standards and Technology that served as the frequency standard for the United States in 1929. Built by Bell Telephone Laboratories, where the quartz crystal oscillator was invented in 1923, they achieved a frequency stability of 10-7. The oscillators are enclosed in temperature controlled ovens kept at a precisely constant temperature to prevent thermal expansion and contraction of the quartz resonator, which would cause changes in frequency. The large crystal resonators are mounted under the glass domes visible on top of the units.
Vectron OX-402 OCXO.jpg
Autor/Urheber: Ben Harris, Lizenz: CC0
Vectron OX-402 series 20 MHz oven controlled crystal oscillator made in 2016. Part number OX-4022-EAE-1080 20M00. Mounted in 0.1 inch perfboard.