Quarzofen

Ein beheizter Quarzoszillator, manchmal auch als Quarzofen und englisch Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO) bezeichnet, ist ein Quarzoszillator, welcher in einer beheizten Kammer mit einer Temperaturregelung untergebracht ist. Die in Quarzoszillatoren eingesetzten Schwingquarze unterliegen einer kleinen, für bestimmte Anwendungen bedeutsamen thermischen Abhängigkeit der Schwingkreisfrequenz, welche auch als thermische Drift bezeichnet wird. Durch das Konstanthalten der Temperatur des Schwingquarzes und der Oszillatorschaltung auf hohen Niveau bei einem beheizten Quarzoszillator kann die Schwingkreisfrequenz unabhängig von der Umgebungstemperatur stabilisiert werden und so höhere Genauigkeiten als ohne Heizung erzielt werden.

Allgemeines

Ein beheizter Quarzoszillator in einem digitalen Zähler

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:

Oszillatortyp	Genauigkeit	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
Atomuhr (Cs)[4]	10−10 bis 10−11	10−12 bis 10−11
Global Positioning System (GPS) [5]	4 × 10−8 bis 10−11[6][7]	10−13

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, (engl.)
2. ↑ Frerking Marvin E. (1996): Fifty years of progress in quartz crystal frequency standards S. 33–46. Institute of Electrical and Electronic Engineers. Abgerufen am 31. März 2009.
3. ↑ Time and Frequency from A to Z, NIST glossary, (engl.)
4. ↑ ^{a b} 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. Abgerufen am 31. Januar 2011. 091116 ieee.li
5. ↑ z300 High Precision Time Server synchronized by GPS. Abgerufen am 31. Januar 2011. 091117 zti-telecom.com
6. ↑ Time and Frequency - Precisely the Way You Need It Time and Frequency - Precisely the Way You Need It. Abgerufen am 31. Januar 2011. 091118 spectruminstruments.net
7. ↑ GPS Time and Frequency Reference Receiver. Abgerufen am 31. Januar 2011. 091118 leapsecond.com