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Übersicht u. Anwendung von Frequenznormalen, 10MHz OCXO · PDF file 2019-05-15 · GPS disziplinierter Normaloszillator (GPSDO) Übersicht u. Anwendung von Frequenznormalen, 10MHz

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  • GPS disziplinierter Normaloszillator (GPSDO)

    Übersicht u. Anwendung von Frequenznormalen, 10MHz OCXO mit analoger Regelung GPS synchronisiert

    Jörg Logemann, DL2NI, April 2017, Mai 2019

    DL2NI

  • Historie der Frequenzmessung

    ...und Historie der Frequenzmessgenauigkeit: Früher (bis in die 80er) VFO und Einpfeifen auf Referenzoszillator (meist 100kHz oder 1MHz) Auch Einpfeifen auf WWV und andere Sender (teils wöchentliche „Eichsendungen“ von Amateuren!)

    Einpfeifen heißt: akustische Beobachtung auf „Schwebungs-Null“. Genauigkeit ±10...300Hz (je nach unterer NF-Grenzfrequenz des RX!)

    DL2NI

  • Historie der Frequenzmessung

    In den 70er Jahren kamen Frequenzzähler auf den Markt, einfacher Quarzoszillator, Nixie- Anzeige, Genauigkeit ±2*10-5 …±5*10-6 oder ±200… ±50Hz bei 10MHz

    DL2NI

  • Historie der Frequenzmessung

    Dann wurde DCF77 aktuell (ab ca. 1973...) In den 2000er Jahren kam GPS-Regelung Mit beiden können Referenzoszillatoren gebaut werden mit df = ±1*10-9 …±5*10-13 (siehe unten)

    DL2NI

  • Historie der Frequenzgenauigkeit

    1. VFO auf Kurzwelle, ältere TRX

    2. gute mech. Armbanduhr

    3. Quarzosz., Synthesizer

    4. TCXO, Synthesizer

    5. OCXO, Synthesizer

    6. Riefler Pendeluhr Typ E, 1962

    7. OCXO an DCF77

    8. OCXO an GPS

    ±2*10-4…±5*10-5 oder ~ ±800…200Hz auf 80m

    ±1*10-5 oder ~± 1sec/d

    ±5*10-5 …±1*10-5 oder ~ ±200… 40Hz auf 80m

    ±1*10-5...±2*10-6 oder ~ ±40… 8Hz auf 80m

    ±2*10-7...±1*10-8 oder ~ ±0,8… 0,04Hz a. 80M

    oder ±2000...100Hz auf 10GHz

    ±4,6*10-8 … ±1,2*10-9 oder ca. ±4ms/d… ±100µs/d

    ±1*10-9 in 200s oder ±10Hz auf 10GHz (~±86µs/Tag oder 1s in 32 Jahren)

    ±1*10-11 in 200s oder ±0,1Hz auf 10GHz (~±860ns/Tag oder 1s in 3200 Jahren)

    Das dürfte reichen... DL2NI

  • Schlussfolgerung

    auf Kurzwelle ist ein XO ausreichend, für Digimodes ein TCXO sinnvoll

    auf den VHF/UHF-Bändern ist für SSB und Digimodes der Einsatz eines TCXO sinnvoll, 13cm und höher: OCXO

    zum Nachkalibrieren wird ein genauerer Oszillator benötigt: ein „angebundener“ OCXO

    auf 10GHz und höher sollte es schon ein „angebundener“ TCXO (hat Nachteile) oder ein guter (angebundener oder auch freier) OCXO sein.

    DL2NI

  • Überlegungen zum Design des geregelten OCXO

    Möglichst guter OCXO (Stabilität, Jitter, Phasenrauschen) schon für 30€ bei Ebay: gebrauchter MV89A von Morion (Russland) Ein schlechter Oszillator wird mit der Regelung nicht besser, nur die Alterung wird ausgeregelt!

    DL2NI

  • Preiswerter TCXO gegen MV89A

    DL2NI

  • PLL Grundschaltung

    DL2NI

  • Überlegungen zum Design des geregelten OCXO

    Ist DCF77 oder GPS besser? DCF77-Trägerfrequenz (77,5kHz) und Sek.-Pulse haben hohe Genauigkeit, (bei Pulsauswertung: 59. Sekunde muss ergänzt oder übersprungen werden) Nachteile DCF77: HF-Signal muss für Trägerauswertung begrenzt werden, Empfänger aufwändig und nicht „von der Stange“ kaufbar, VLF-Ausbreitung geht stark in Genauigkeit ein Vorteile DCF77: Funksignal überall mit Innenantenne verfügbar, auch im „Bastel-Keller“

    DL2NI

  • OCXO an DCF77 angebunden

    DL2NI

  • Überlegungen zum Design des geregelten OCXO

    Entscheidung für GPS: GPS-Empfänger mit 1PPS mit geringem Jitter, Timing-Empfänger, z.B. U-Blox NEO-M8T Richtig dimensionierter PI-Regler, Zeitkonstante ca. 2000 sec!

    Keine Behelfsantenne „irgendwo hingeklatscht“, sondern Antenne mit Rundumsicht

    DL2NI

  • Übersicht über handelsübliche GPSDO

    Zunächst: was kann man kaufen? Im Handel, besonders bei ebay, sind viele verschiedene GPSDO für Preise zwischen 140...1000€ erhältlich. Z.T. sind günstige Surplusgeräte zu bekommen, z.B. aus „ausgeschlachteten“ GSM-Basisstationen.

    Beispiel: Lucent RFTG, Ref0 u. Ref1 (= Z3810)

    DL2NI

  • Chinesisches GPS-Normal von BG7TBL

    ca. 130€ bei ebay

    Mit gutem OCXO MV89A von Morion

    DL2NI

  • GPSDO von SDR-kits

    Mit kleinemTCXO, Preis ca. 180€

    DL2NI

  • G3RUH Normal

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  • Lucent RFTG (Ref0 und Ref1)

    ca. 300$ bei ebay USA

    DL2NI

  • HP (Agilent): Z-3805 mit Zähler 53132A (Profigerät)

    GPSDO: 300...500$ bei ebay USA, Zähler 1000...1500$/€ DL2NI

  • Messaufbau zur Messung genauer Oszillatoren

    Zähler und Frequenznormal müssen mindestens 24 Std. „warmlaufen“, am besten Dauerbetrieb!

    DL2NIRubidium-Normal kalibrieren mit „Human-PLL“

  • Human PLL

    DL2NIanwendbar für freies Rubidiumnormal oder freien OCXO

  • DCF77-Normal gegen GPSDO

    DL2NI

  • PLL Grundschaltung für GPS

    Eigenbau: was muss man tun? (Möglichkeit 1) OCXO-Frequenz (10MHz) muss auf 1Hz geteilt werden und mit 1Hz (1PPS) vom GPS verglichen werden Phasendetektor für 1Hz nötig, z.B. EXOR-Gatter

    Loopfilter mit T=2000 sec.

    DL2NI

  • PLL Grundschaltung

    DL2NI

  • Digitale und analoge PLL

    „digitale“ PLL ist nicht besser, kann aber mit „Gedächtnis“ und „Anpassung“ an den OCXO schneller reagieren. Mikrocon- troler Programmierung nötig!

    Herkömmliche PLL und PLL mit Microcontroller, meist mit Kalman-Filter

    DL2NI

  • PLL Grundschaltung

    Alternative: Sample & Hold. Mit sehr kurzen Pulsen wird mit 1PPS eine „Probe“ (Sample) vom OCXO genommen und aufintegriert Loopfilter mit T=2000 sec.

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  • Regelung (PI-Regler)

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  • Sample & Hold PLL

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  • GPSDO-Schaltbild komplett

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  • OCXO mit Frequenzteiler

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  • Samplepulserzeugung

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  • Sample & Hold Schaltung

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  • Loopfilter, 2 Zeitkonstanten

    Schnelle Zeitkonstante zum schnellen Einrasten

    Langsame Zeitkonstante für eingerasteten Zustand

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  • Frequenzgang Loopfilter

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  • Ausgangsverstärker

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  • Aufbau auf Lochrasterkarte

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  • Rückseite

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  • ...auch mit SMD-Bauteilen bestückt

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  • Einschwingverhalten

    DL2NI

  • Vergleich GPSDO-DL2NI mit professionellen GPSDO

    DL2NI

  • Vergleich GPSDO-DL2NI mit professionellen GPSDO

    DL2NIDL2NI

  • Vergleich GPSDO-DL2NI mit professionellen GPSDO

    DL2NI

  • GPSDO gegen Morion MV89 und MTI

    DL2NI

  • MV89A und preiswerter TCXO an der GPS-Regelung

    DL2NI

  • Preiswerter TCXO gegen MV89A

    DL2NI

  • GPSDO mit MV89A gegen preiswerten TCXO

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  • OCXO MV89A

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  • OCXO MTI260, 5MHz

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  • GPSDO gegen G3RUH, Leo Bodnar und BG7TBL

    DL2NI

  • GPSDO gegen G3RUH, Leo Bodnar und BG7TBL

    DL2NI

  • Lösungen für portablen GHz-Betrieb (pro/contra)

    DL2NI

    Frequenznormal pro contra

    GPSDO mit OCXO beste Kurzzeitgenauigkeit und Langzeitgenauigkeit

    braucht Std. zum Einschwingen u. guten GPS-Empfang, hoher Leistungsbedarf

    GPSDO mit TCXO geringer Leistungsbedarf, gute Langzeitgenauigkeit

    braucht Std. zum Einschwingen u. guten GPS-Empfang, schlechte Kurzzeitgenauigkeit

    guter freilaufender OCXO mit LiIon- Akkupack

    wird zuhause kalibriert und läuft beim Transport durch, keine Einschwingzeit, Genauigkeit 1*e-8/year oder 3*e-11/day

    Akku nötig, ausreichende absolute Genauigkeit bleibt nur begrenzte Zeit erhalten (je nach Güte des OCXO)

    Rubidiumnormal, LPRO oder FE- 5680A (programmierbar)

    hervorragende Genauigkeit (kurz- und langzeit),2*10e-9/year, 2*e-11/day, FE- 5680A nach 5min auf 1*e-9!

    sehr hoher Leistungsbedarf (20 Watt), muss möglichst durchlaufen (Akku), begrenzte Lebensdauer

  • Human PLL

    DL2NIanwendbar für freies Rubidiumnormal oder freien OCXO

  • portables 10MHz-Frequenznormal mit 5MHz-OCXO

    DL2NI

  • Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen?

    Dann noch einen schönen Tag...

    DL2NI

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