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Hochgenaue Referenzfrequenz aus DCF77
- Ein Versuchsaufbau, kein DCF77-DO, aber genaue Bestimmung von z. B. OCXO-Frequenzen -
( English Version: Highly Accurate Reference Frequency from DCF77)
Dieses ist keine empfehlenswerte Methode, um eine sehr genaue Referenzfrequenz z. B. für Kalibrierungszwecke zu realisieren. Dazu gibt es professionelle, erschwingliche, bessere Lösungen, und DCF77 ist nur Erzeugung "mäßig guter" Referenzfrequenzen geeignet. Dass das so ist, habe ich dann später auch in anderen Berichten gelesen. Allerdings nicht, warum und in welchem Maß das so ist.
Dieses ist ein Erfahrungsbericht, der sich nach und nach entwickelt hat. Die Arbeiten daran sind dann irgendwie zu einem Selbstläufer geworden. Aber die Erkenntnisse und Ergebnisse sind m. E. interessant und wert, beschrieben zu werden.
Ausführliche Informationen über DCF77 sind in dem Bericht Zeit- und Normalfrequenzverbreitung mit DCF77 der PTB Braunschweig zu finden. Dort gibt es auch viele Hintergrundinformationen, die meine Beobachtungen und Erfahrungen erklären. Leider habe ich den erst spät entdeckt. Wie gesagt, es begann ja auch nur als einfacher Versuch, ohne große Ansprüche oder hohe Ziele.So fing es an:
Bei der Entwicklung des AD2-XS sollte dessen Spannungs-gesteuerte Quarzoszillator (VCXO) im Rahmen der Möglichkeiten auf die Sollfrequenz möglichst genau eingestellt werden. Also in etwa so gut, wie gute Quarzoszillatoren, mit max. ca. ±10 ppm spezifiziert werden. Das Messgerät dazu sollte dementsprechend deutlich genauer sein. Mein Frequenzzähler, ein HM8021-3, hat dafür vollkommen ausreichende 8 Stellen, das entspricht einer Auflösung von 0,01 ppm bei Frequenzen, die "mit 999..." beginnen. Auch eine Frequenz von 10 MHz kann mit der Overflow-LED + 8 Nullen mit genau 0,01 ppm bzw. 0,1 Hz Auflösung angezeigt werden. 0,01 ppm entsprechen 10-8. Nur war mein Frequenzzähler mit seinem TCXO (Temperatur-kompensierten Quarzoszillator) wesentlich ungenauer und außerdem mangels Frequenznormal schon lange nicht mehr kalibriert worden.
Weil ich einen DCF77-Empfänger mit 77,5 kHz-Ausgang schon hatte, die Frequenz aber sehr instabil angezeigt wurde, dachte ich, dann mach' mal einen 10 MHz VCXO mit PLL, der durch die 77,5 kHz synchronisiert wird. (Erst später habe ich den Begriff "DO" = Disciplined Oscillator kennen gelernt.) Das hat auch geklappt, die Ergebnisse waren ausreichend, aber so richtig zuverlässig waren sie nicht.
So ging es weiter:
War der Grund für unterschiedliche Messergebnisse der TCXO oder der DCF77-DO? Jetzt begann der Selbstläufer. Es gab preiswerte gebrauchte OCXOs älterer Bauart zu kaufen. Also habe ich den HM8021-3 auf OCXO umgerüstet. Mit einem zweiten OCXO, dessen Frequenz sich mit einer Steuerspannung einstellen lässt (es sind also eigentlich VC-OCXOs), habe ich die Frequenz des DCF77-DOs auf dem Oszilloskop verglichen und war erstaunt über die starken Phasenänderungen des DCF77-DOs, die natürlich dazu führten, dass sich seine Frequenz temporär deutlich verändert. Als hochwertiger DCF77-DO ist mein Aufbau also kaum zu brauchen, und wie sich im Laufe der Zeit zeigte, aus anderen Gründen auch.
Um die Zusammenhänge genauer zu untersuchen, habe dann auf dem Steckbrett den OCXO mit einem Phasenvergleicher aufgebaut und mit dem DCF77-DO verglichen. Sinnvollerweise nicht direkt die 10 MHz, sondern beide Frequenzen vorher noch durch z. B. 16 geteilt. Ich konnte jetzt die Phasenänderungen längerfristig beobachten und aufzeichnen, aber ein Steckbrettaufbau ist dafür viel zu unzuverlässig. Um über längere Zeit die Frequenz des DCF77-DO zu beobachten, muss die OCXO-Frequenz extrem genau eingestellt werden. Man braucht nur einmal gegen das Steckbrett zu kommen, dann ist es wieder verstellt. Und mit einem Trimmer ist es sowieso viel zu fummelig.
Also habe ich eine Leiterplatte entworfen, und diese OCXO/Teiler/Komparator-Schaltung auch gleich zweimal aufgebaut, um die Zuverlässigkeit der OCXOs, insbesondere auch deren Phasenkonstanz, zu kontrollieren.
Wie gesagt, es wurde ein Selbstläufer. Hier also die Ergebnisse. Eine tabellarische Übersicht zu den beobachteten Frequenzabweichungen ist am Ende des Artikels zu finden.
Bild: Ansicht des kompletten Systems.
Links: Der DCF77-DO mit dem dem DCF77 Empfänger im vorderen Bereich und der PLL-Schaltung dahinter.
Rechts: Die beiden OCXOs mit Phasenvergleicher.
Mit einem DCF77-DO und zwei OCXOs gibt es also 3 10 MHz-Quellen.
Der erste OCXO+Phasenvergleicher, ich nenne ihn den "Master-OCXO", vergleicht die vom DCF77-DO ausgegebene Frequenz von 10 MHz mit seiner eigenen. Wenn seine Frequenz größer ist, als die aus dem DCF77-Signal abgeleiteten 10 MHz, steigt das Phasendifferenzsignal.
Der zweite OCXO+Phasenvergleicher, ich nenne ihn den "Monitor-OCXO", vergleicht die vom Master-OCXO ausgegebene Frequenz von 10 MHz mit seiner eigenen. Wenn seine Frequenz größer ist, als die des Master-OCXOs, steigt das Phasendifferenzsignal.
Wie gesagt, es gibt 2 OCXOs. Damit erreiche ich, dass ich nachweisen kann, dass beide OCXOs ungestört und mit vernachlässigbaren Phasenschwankungen oder Frequenzsprüngen arbeiten.
Die Schaltung ist konventionell. Das Signal aus der aktiven Antenne, die über L1.1 versorgt wird, wird 20 dB verstärkt und auf den Filterquarz gegeben.
Der ist so geschaltet, dass bei Resonanz die Spannung an C1.4 bzw. dem Eingang der folgende Verstärkerstufe erheblich größer als am Ausgang der Stufe vorher ist. Soweit ich mich erinnere, ist das in etwa ein Faktor von 30, bzw. 30 dB. Der Quarz filtert für diese Anwendung maximal schmalbandig. Es gibt eine leichte parasitäre Kopplung direkt vom Ausgang von IC1.1B auf den positiven Eingang IC1.1A, über die andere spektrale Anteile am Filterquarz vorbei kommen können. Sie können mit R1.6 weitgehend kompensiert werden.
Es folgt eine Verstärkung von weiteren 60 dB und eine Amplitudenregelung. Mit einer Ausgangsspannungsanzeige soll buchstäblich zu erkennen sein, ob "alles im grünen Bereich ist". Leider hat sich herausgestellt, dass sowohl bei Senderausfall als auch bei Störungen die Regelung alles in den grünen Bereich, der aus 2 LEDs besteht, regelt. Deswegen wurde später die Verstärkung von 60 dB auf 50 dB reduziert (R2.3 = 3,3k).
Über ST2.1 kann sowohl die Betriebsspannung als auch das 77,5 kHz-Signal an die PLL (oder eine andere Schaltung) übergeben werden.
Das 77,5 kHz-Signal wird noch einmal verstärkt und als Rechtecksignal durch 31 auf 2,5 kHz geteilt. 2,5 kHz ist der größte gemeinsame Teiler von 77,5 kHz und 10 MHz.
Die 10 MHz vom VCXO werden durch 4000 auf ebenfalls 2,5 kHz geteilt und auf den Präzisions-Phasenvergleicher der 74HCT9046 gegeben. Warum ich eine 74HCT9046 und nicht die übliche 74HCT4046 verwende, habe ich im Artikel Exakte und fehlerhafte Phasenkomparatoren beschrieben.
Die Regelzeitkonstante ist relativ groß. Es dauert mit ca. einer halben Minute zwar relativ lange, bis die PLL eingerastet ist, aber, wie wir später sehen, ist das viel zu schnell, um wenigstens die kurzen Phasenschwankungen des empfangenen Signals zu auszumitteln.
Zusammen mit dem DCF77-Empfänger ergibt die 10 MHz-PLL einen DCF77-DO, allerdings keinen guten.
Eine Verbesserung würde ich erwarten, wenn ich den Phasenvergleich während und kurz nach den Sekundenmarken verhindere. Außerdem wurde nach diesen Versuchen die Zeitkonstante der Loop erheblich erhöht (R15 = 47 kΩ, R16 = 220 kΩ), die aber nur eine kleine Verbesserung ergab. Deutlich mehr düfte nur durch eine sehr, sehr viel größere Zeitkonstante erreicht werden können. Die sollte aber, um schneller einzurasten, eine Schaltung enthalten, die bei großer Phasendifferenz eine kleine Zeitkonstante aufweist.
Es gibt gebrauchte OCXOs, die mit 5 oder 12 V betrieben werden. Ich habe hier 5 V-Versionen. Die Frequenzeinstellung über den Eingang CTL muss in extrem kleinen Schritten erfolgen. Hier habe ich einen Bereich von 50 mV in 256 Schritten je 200 µV vorgesehen. Die Grobeinstellung des Bereichs muss experimentell durch die Widerstände R18 und R19 mit Feinabgleich durch R20 erfolgen. Als Spannungsreferenz kann eine externe Referenz (IC7) oder die interne Referenz dienen. Ich habe bisher immer nur die interne Referenz verwendet.
Sowohl die externen 10 MHz als auch die 10 MHz des OCXOs können durch 8, 16, ... 128 geteilt werden. Für die hier dokumentierten Versuche habe ich die 10 MHz ausschließlich durch 16 auf 625 kHz geteilt. Als Phasenvergleicher bietet sich der PC3 einer 74HC4046 an, mit dem ein PWM-Signal von 0 bis 100% erzeugt wird, das proportional dem Phasenversatz von 0 bis 360° ist. Durch den angeschlossenen Tiefpass entsteht am Phasendifferenz-Ausgang eine Spannung von 0 V bis VCC (= 5 V). Mit einer Ausnahme: Wenn die Phasendifferenz kleiner als ca. ±15 ns ist, toggelt der PCP3-Ausgang mit halber Eingangsfrequenz. Das ergibt dann 2,5 V am Phasendifferenz-Ausgang vom Tiefpass und ist gut sichtbar an den unteren, "blauen" Messkurven, wenn es einen Phasenumbruch (0° ↔ 360°) gibt.
Bei beiden OCXOs driften die Frequenzen natürlich, und zwar unterschiedlich, sie stimmen niemals genau. Aber wie groß die tatsächlichen Frequenzen momentan sind, kann ich sehr genau anhand des Vergleichs mit dem DCF77-Signal bestimmen, wenn die Empfangsbedingungen stimmen.
Bei den folgenden Oszillogrammen habe ich die zwei Phasendifferenzsignale der Phasenvergleicher dargestellt. 5 V, also 2,5 Skalenteile, entsprechen 16 10 MHz-Zyklen = 1,6 µs. Zunächst zum Kurzzeitverhalten, eine Sequenz von 600 Sekunden:
Dieser Screenshot entstand, als die über lange Zeit gemittelte Frequenz des Master-OCXOs sehr exakt mit der von DCF77 überein stimmte (Kanal 1, gelb). Hier sind relativ starke Phasenschwankungen zu erkennen.
Die Phasendifferenz zwischen Master- und Monitor-OCXO (Kanal 2, blau) ist über lange Zeit nicht so konstant, aber es gibt keine Phasenschwankungen.
Ziel ist ja, eine Frequenz genau zu bestimmen. Gemessen bzw. angezeigt wird aber die Phase, genauer: Der zeitliche Verlauf der Phasendifferenz von zwei Signalen. Wie kann man von der Phase auf die Frequenz schließen, was bedeutet das obige Oszillogramm bezüglich der Frequenzen?
Mathematisch gesehen, ist die Frequenz die Ableitung der Phase bzw. die Phase das Integral der Frequenz. Wenn die Frequenz konstant ist, wird die Phase kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit größer.Die Phase φ wird üblicherweise als Winkel in Grad (°) angegeben. 360° ergeben eine Umdrehung, einen Zyklus oder eine Sinusschwingung - was immer gerade vorliegt. Vereinfacht ergibt sich aus der Phase φ mit der Zeit t in Sekunden die Frequenz f in Hz:
f = φ/(360°*t)
oder die Differenz der Frequenzen von zwei Signalen aus der Differenz von deren beiden Phasen:
Δf = Δφ/(360°*t)
Hier gebe ich nicht den Phasenwinkel φ an, sondern nur die Anzahl n von ganzen Zyklen (n = φ/360°). Dann folgt für die Frequenz f ganz einfach:
f = n/t bzw. Δf = Δn/t
Für das obige Oszillogramm bedeutet das:
Rechts ein Ausschnitt aus dem Oszillogramm: Die Phasendifferenz des Master-OCXOs zum DCF77-Signals (Kanal 1, gelb) ändert sich an der untersuchten Stelle mit einer Geschwindigkeit von ca. 16 Zyklen pro 23 Sekunden.
Δn = 16
t = 23s
Δf = 16/23s = ~0,7 Hz
Während dieser Phasenänderung, die ca. 5 Sekunden dauert, ist die Frequenz also nicht 10,000 000 MHz, sondern ca. 0,7 Hz (entsprechend 0,07 ppm = 70*10-9) höher.
Nehmen wir aus dem Screenshot über 600 Sekunden den Phasenvergleich zwischen Master-OCXOs und Monitor-OCXO (blauer Kanal): Ca. 5/16 V Spannungsabfall (entspricht n = 1 Zyklus) innerhalb 450 s ergibt 1/450 Hz = 2,2 mHz oder 0,00022 ppm = 0,22 ppb (= 220*10-12).
Nicht bezüglich der Momentanwerte, aber im Mittel noch viel besser, ist die Differenz zwischen DCF77-Frequenz bzw. -Phase und der des Master-OCXOs (gelber Kanal). Ich wage zu behaupten, dass die Abweichung weit weniger als die 100 ns beim vorherigen Vergleich zum Monitor-OCXO ist.
Wie man schon erkennen kann, lässt sich die Abweichung der Frequenz eines Signals zum DCF77-Normal nur dann mit wirklich hoher Genauigkeit ermitteln, wenn das DCF77-Signal über sehr lange Zeit konstant ist. Und das ist gar nicht so oft möglich:
Die eben geschilderten kurzzeitigen Phasenschwankungen vom DCF77-Signal sind sehr auffällig. Die Spitzenamplituden im Oszillogramm sind ca. 0,4 V, was ca. 460° bei 16*360° pro 5 V entspricht. Das ist auf 10 MHz bezogen und entspricht ca. 3,6° bei 77,5 kHz. Diese Phasenschwankungen sind immer vorhanden, auch in dieser Größe. Ich weiß nicht, woher sie kommen. Zwei Theorien meine ich, verwerfen zu können:
1. Das DCF77-Signal ist phasenmoduliert. Nachzulesen ist das z. B. dem Bericht der PTB auf Seite 353. Diese pseudo-zufällige Phasenmodulation beträgt zwar ±13°, wird aber jede Sekunde exakt identisch wiederholt und kann daher ausgeschlossen werden.
2. Es ist eine Phasenverschiebung während der Sekundenpulse deutlich am Phasenvergleicher der 10 MHz-PLL zu erkennen. Sie ist erheblich größer als die hier sichtbaren 3,5° und wirkt sich, je nachdem, ob es eine 0- oder eine 1-Austastung ist, zweifellos auch auf die Frequenz des VCXOs aus. Mehrere Nullen hintereinander müssen im Mittel zwangsläufig zu einer anderen Phasenlage als mehrere Einsen hintereinander führen. Aber: Weil sich das Datentelegramm ab ca. der 25sten Sekunde nicht mehr bzw. ganz selten ändert, müssten alle 60 Sekunden für je ca. 30 Sekunden identische Strukturen in den Phasenschwankungen erkennbar sein. Das ist aber überhaupt nicht der Fall.
Der Empfang des DCF77-Signals ist nicht oft für eine so hohe Zeit so zuverlässig, wie es für eine hohe Genauigkeit erforderlich wäre. Folgende Effekte stören:
Wegen der Kurzzeitschwankungen der DCF77-Phase muss über sehr lange Zeit gemittelt bzw. gemessen werden. Je länger, desto besser. Währenddessen muss die Qualität des empfangenen Signals konstant sein. Um ein Gefühl dafür zu vermitteln, was das in der Praxis bedeutet, habe ich mit meinem Versuchsaufbau die Phasenverläufe über ca. 40 Stunden in 5 Abschnitten je ca. 8 Stunden aufgezeichnet und will sie hier kommentieren.
Bei den folgenden Aufzeichnungen ist auch erkennbar, wie sich in der Nacht die Phase des empfangenen Signals ändert. Mehr Informationen dazu finden sich in dem Bericht der PTB ab der Seite 355.
Ich habe keinen Rekorder, der so lange aufzeichnen kann. Meine besseren Oszilloskope können nur zwischen 500 und 1000 Sekunden aufzeichnen, nur der ganz billige kann 15000 Sekunden (> 4 Stunden). Mit einigen Screenshots aneinander montiert, komme ich auf die lange Zeit von 31000 Sekunden = ~8,6 Stunden.
Mein Empfangsort befindet sich 270 km nördlich von Mainflingen, die Empfangssituation mit einer kleinen Ferritantenne im Erdgeschoss, ursprünglich im nördlichen "Bastelzimmer", war wegen der vielen Störungen nicht gut. Deswegen hatte ich die Antenne nach den ersten Aufzeichnungen weitab in einem südlichen Zimmer positioniert, wo es - bis auf ganz kleine Ausnahmen - keine Störung mehr gab.
Zunächst noch ein kleiner Exkurs: Die relative Unsicherheit der Trägerfrequenz der DCF77-Frequenz ist mit ca. 10-12 angegeben (bei 1σ, über Tag gemittelt, Bericht der PTB, Seite 364). Das wird auch als 1 ppt bezeichnet. Es gilt:
Diese Aufzeichnung beginnt am 29.4.2022 um ca. 6 Uhr und endet nach etwas mehr als 8 Stunden (31000 Sekunden).
Vorabgleich und Aufzeichnungsbeginn
Vor Beginn der Aufzeichnung lief das System seit mehreren Tagen. Zu Beginn hatte ich beide OCXOs noch einmal so gut wie möglich eingestellt. Das Ergebnis war zufällig ungewöhnlich gut: Ab ca. 10 Uhr war die Phasenabweichung zwischen den beiden OCXOs über fast 10 Stunden unter ungefähr 100 ns. Danach steigt sie, und zwar im Laufe der Zeit immer schneller, d. h, die Differenz der Frequenzen wurde immer größer.
Zu Beginn sind die Schwankungen der Laufzeit des empfangenen DCF77-Signals während der Nacht noch sichtbar. Es gibt nach 7 Uhr ständige Phasenumbrüche während 20 Minuten, aber das ist natürlich unvermeidlich. Es ist eher erfreulich, dass es bei dieser Aufzeichnung innerhalb der folgenden 15 Stunden (ab 7:30 bis 22:30) überhaupt keine Phasenumbrüche gab. Das hatte ich auch noch nie erlebt.
Die Phasenabweichung zwischen DCF77 und beiden OCXOs blieb von 10:30 bis 13:30 lediglich in der Größenordnung von 100 ns. Ich nehme an, dass das die Laufzeit des empfangenen DCF77-Signals sich in dieser Zeit deutlich weniger verändert und komme daher auf eine gemittelte Frequenzabweichung des Master-OCXOs von ca. 100 ns auf ca. 3 Stunden:
100 ns / (4 * 3600 s) = 9,3 * 10-12 = 9,3 ppt
Es mögen vielleicht auch mehr oder weniger als 9,3 ppt sein. Aber das Besondere ist hier, dass sich hier nicht nur die Genauigkeit der OCXO-Frequenz bestimmen lässt, sondern dass sogar beide OCXOs die 10 MHz mit dieser Genauigkeit erzeugen. Ein außergewöhnlicher Zufall, den ich sonst noch nie, nicht einmal annähernd, beobachten konnte.
Auch wenn man nur die Phasenstabilität des DCF77-Signals betrachtet, kann man annehmen, dass die empfangene Frequenz nicht nur während dieser 3 Stunden relativ konstant war, sondern wahrscheinlich auch sehr genau mit der der Sendefrequenz übereinstimmte. Die Größenordnung schätze ich ebenfalls auf 10 ppt. Mehr dürfte sich mit einem DCF77-DO in der Praxis nicht erreichen lassen, und das auch nur unter besonderen, nicht jeden Tag anzutreffenden Umständen.
Eine andere Nebenbeobachtung ist, dass die beiden OCXOs sich gegenseitig synchronisieren, wenn ihre Frequenzen sehr nahe beieinander eingestellt sind. Einen solchen exakt horizontalen Verlauf der OCXO/OCXO-Phasendifferenz wie hier zwischen 10:30 und 13:30 konnte ich schon mehrfach beobachten.
Bis zum Einbruch der Dunkelheit schwankte die DCF-Phase nur geringfügig.
Um ca. 19 Uhr gab es zwei kurze Empfangsstörungen, die aber nur kleine Phasensprünge verursacht haben. Als Ursache habe ich unseren Induktionsherd in Verdacht.
Es gibt die typischen Phasenschwankungen während der Nacht. Das ist eine für genaue Frequenzbestimmung sehr ungünstige Zeit.
Beispiel: Würde man die in der Zeit von 24:20 bis 24:30 über diese 10 Minuten gemittelte DCF77-Empfangsfrequenz als Referenz verwenden und die mit der nur 5 Minuten später in Zeit von 24:35 bis 24:45 gemittelte Frequenz vergleichen, bekäme man Ergebnisse, die sich um ca. 1,5*10-9 unterscheiden. Über wenige Stunden gemittelt könnte es auch in der Nacht um einen Faktor 10 besser sein, aber niemals so gut wie am Tag.
Bei Nacht sind Ergebnisse zu erwarten, die größenordnungsmäßig 10-mal ungenauer sind, als die, die bei Tage mit relativ hoher Sicherheit erreichbar ist.
Da die Phase des Monitor-OCXOs immer schneller steigt, steigt auch seine Frequenz im Vergleich zum Master-OCXO. Das war während der gesamten Versuchszeit so. In der nächsten Aufzeichnung ist zu erkennen, dass der Monitor-OCXO die geringere Drift aufweist.
Wenn man genau hinschaut, erkennt man, dass es ungefähr um 00:08 eine Empfangsstörung gibt. Die Ursache kenne ich nicht.
Die Phasenschwankungen der Nacht sind kurz nach 7 Uhr vorbei. Die Frequenzen von Monitor-OCXO und Master-OCXO nähern sich wieder an.
Weil der Master-OCXO "zwischen" den Phasenvergleichern ist, würden spiegelsymmetrische Diagramme der Phasenverläufe bedeuten, dass die Frequenzen von Monitor-OCXO und DCF77 identisch sind und nur die des Master-OCXOs abweichen. Hier ist also die Frequenz des Monitor-OCXOs näher als die des Master-OCXOs an der DCF77-Frequenz.
Die Phasenschwankungen, insbesondere das Maximum kurz vor 13 Uhr, sind etwas stärker als am Tag vorher.
Es gibt keine weiteren Überraschungen.
Die Frequenz des Monitor-OCXOs ist jetzt noch näher an der von DCF77, aber es ist bei weitem nicht mehr so perfekt wie am Tag vorher.
Würde an diesem Tag die über z. B. eine Stunde gemittelte DCF77-Empfangsfrequenz als Referenz verwendet werden, würde man im Zeitraum 15:40 bis 16:40 folgenden Unterschied zum Zeitraum 17:00 bis 18:00 erhalten:
Die gemittelte Phasendifferenz zum Master-OCXO ist (alles nur grob gerechnet):
Der Unterschied ist also:
Ca. 100 ppt sind erheblich schlechter als die 1 ppt, die DCF77 theoretisch liefern könnte. Andererseits sind 100 ppt, geschrieben als ±50 ppt, ist immerhin 1*106 (eine Million) mal genauer, als ein handelsüblicher, preiswerter Quarzoszillator mit ±50 ppm Genauigkeit. Das ist doch eine ganze Menge!
Hier noch einmal eine Zusammenfassung der ermittelten Werte. Die meisten dieser Zahlen sind natürlich nicht exakt, zumal erwartet werden kann, dass sie auch erheblich vom Empfangsort abhängen werden. Aber sie geben einen guten Überblick über die enormen Unterschiede verschiedener Quellen bzw. beim Aufwand zum DCF77-basierten Bestimmen von Frequenzen.
Abweichung |
ppm (10-6) |
ppb (10-9) |
ppt (10-12) |
Angabe bzw. Messsituation | ||||
1*10-12 |
1 ppt |
Grundgenauigkeit DCF77 lt. Angaben der PTB | ||||||
10*10-12 |
10 ppt |
Ungefähr die bestmögliche Genauigkeit der Frequenzbestimmung per DCF77, nur selten möglich | ||||||
0,08*10-9 |
0.08 ppb |
80 ppt |
Unterschiede, wenn an nicht optimalen Tagen zu verschiedenen Zeiten über mehrere Stunden gemessen wird | |||||
220*10-12 |
0,22 ppb |
220 ppt |
Tagsüber während 600 s beobachtete Schwankung des empfangenen DCF77-Signals | |||||
1,5*10-9 |
1.5 ppb |
1500 ppt |
Typische, nachts über viele Minuten andauernde Frequenzabweichung des empfangenen DCF77-Signals | |||||
1*10-8 |
0,01 ppm |
10 ppb |
Auflösung 0,1 Hz bzw. Quantsierungsfehler HM8021-3 bei 10 MHz und 10 Sekunden Messzeit | |||||
70*10-9 |
0,07 ppm |
70 ppb |
Kurzzeitschwankung (~10 s und mehr) meines einfachen DCF77-DOs | |||||
50*10-6 |
50 ppm |
Spezifizierte Nennwertabweichung eines handelsüblichen, preiswerten Quarzoszillators |
Nebenbei: Nach der späteren Modifizierung meines einfachen DCF77-DOs mit erheblich erhöhter Regelzeitkonstante liefert der zwar nicht viel, aber doch etwas geringere Frequenzschwankungen von geschätzt 0,05 ppm, also ca. 1000-mal genauer als ein preiswerter Quarzoszillator(!)
Interessant wäre ein Vergleich mit einem GPS-DO. Leider habe ich keinen, brauche auch sonst keinen, und beabsichtige deshalb nicht, nur für dieses Kapitel in diesem Artikel einen zu kaufen.
Allerdings habe ich einen Bekannten, der mir einen leihen konnte (danke Carsten!). Aber der hat nicht richtig funktioniert (der GPS-DO, nicht der Carsten!). In unregelmäßigen Zeitabständen hat er seine Ausgangsfrequenz in zufälligem Maß in einem Bereich von ganz grob ±10 ppb geändert, sowohl kontinuierlich als auch oft übergangslos umgeschaltet. Sehr schade.
Es ist möglich, mit aufwändigen Mitteln und insbesondere der Beobachtung der Qualität des empfangenen Signals, die Frequenz z. B. eines Oszillators sehr genau zu bestimmen. Sicherlich mit noch mehr Aufwand sogar, ihn zu synchronisieren bzw. disziplinieren. Dafür ist allerdings eine Langzeitstabilität erforderlich, die weit über das hinaus geht, was von einem OCXO erwartet werden kann. Ich nehme an, dass ein Rubidium-Oszillator dafür ausreichen würde.
Aber bestenfalls würde ein auf diese Weise realisierter DCF77-DO nur nach einer Zeit, die einige Tage dauern kann, eine hochpräzise Referenzfrequenz im Bereich von ±10 ppt liefern. So war es mir ja auch höchst zufällig mit ca. ±9 ppt gelungen. Das halte ich aber normalerweise eher nur mit einem Aufwand für reproduzierbar möglich, der in einem schlechten Verhältnis zum Ergebnis steht und in der Praxis nicht mehr sinnvoll ist. Zumindest habe ich allerdings Ideen zu einem Verfahren dafür.
Anderseits: Auch wenn man sich sehr viel weniger Mühe gibt, ist eine Frequenzgenauigkeit zu erreichen, die weit, weit höher als die eines normalen Quarzoszillators und auch die Langzeitstabilität eines OCXOs wäre.
| Letzte Aktualisierung: 2. Juni 2022 | Fragen? Anregungen? Schreiben Sie mir eine E-Mail! | Uwe Beis |
Der DCF77-Empfänger
Die 10 MHz-PLL