Das Frequenznormal als "primäres" Messmittel

Wer einen Frequenzzähler besitzt, wird, wie schon im Vorausgehenden angedeutet, als erstes einmal dessen interne Referenz korrigieren. Hierzu wird einfach das Ausgangssignal des Frequenznormals dem Zählereingang zugeführt und mit möglichst langer Messzeit das Ergebnis ausgewertet. Der Mutteroszillator des Zählers wird dabei so lange abgeglichen, bis das Display möglichst genau 10,00000... MHz anzeigt. An welchem „Knopf" man dabei zu drehen hat, sollte man aber doch vorher wissen und nicht experimentell durch „try-and-error" ermitteln! Das Treffen des Optimums ist aufgrund der langen Messzeit natürlich eine strapaziöse „Fisselei", weil das Ergebnis zeitversetzt angezeigt wird. Aber nach vollendetem Abgleich ist man wirklich sicher, dass man keine Hausnummern zählt, sondern Frequenzen misst; sofern der Oszillator des Frequenzzählers temperaturstabil „steht"! Um das zu kontrollieren, kann man natürlich das Frequneznormal bestens einsetzen.

Aber es geht auch klüger; vor allen Dingen schneller! Dazu braucht man ein Zweistrahl-Scope oder zumindest eines mit externer Triggerung. In der Literatur ist diese historische Methode als grafische Überlagerung von Referenz- und zu korrigierendem Oszillatorsignal, in unserem Fall der 10-MHz-Mutteroszillator des Zählers, im x/y-Mode als Lissajous-Darstellung bekannt. Das Messverfahren ist auch auf harmonischen Oberwellen möglich. Das Oszillogramm zeigt einen 30-MHz-Oszillator, welcher "fast genau auf der Frequenz ist".  Dreht die "Figur" nicht mehr, stimmt auch die Frequenz! Allerdings ist die quantitative Messung damit etwas schwierig. Aus dem Phasenwinkel müsste man erst die „Umlaufzeit" ermitteln!

Noch einfacher geht’s, indem ein Kanal das eine, und der zweite das andere Signal darstellt. Einer der beiden triggert das Bild. Das geht (mit Einschränkungen) natürlich auch mit einem Kanal und externer Triggerung. Ein „stehendes Bild" erscheint nur, wenn beide Signale frequenzgleich sind. Bei geringstem Frequenzunterschied „wandert" das nicht getriggerte Signal auf dem Bildschirm je nach Frequenzunterschied mehr oder weniger schnell nach links oder rechts. Ohne hier viel Mathematik zu pauken, würde bei 10-MHz-Signalen ein Frequenzunterschied von 10-7 vorliegen, wenn genau nach einer Sekunde die „durchlaufende", periodische Schwingung sich wieder genau an der selben Stelle auf dem Oszi-Schirm befindet, also genau um eine Periode verschoben dargestellt wird. Dauert das 10 Sekunden, liegt eine Frequenzgenauigkeit von 10-8, bei 100 Sekunden sind es 10-9 und bei 1000 Sekunden (also knapp 17 Minuten) 10-10. Alternativ gäbe es noch einen tollen (teueren) Trick, damit man nicht so lange warten muss. Dazu braucht man dann unbedingt ein Digitalscope, beispielsweise einen Tektronix TDS 210/ 220 o.ä. Da gibt es die Möglichkeit, eine 5 Sekunden-Spur zu „schreiben", welche dann als graue Schattenfläche dargestellt wird und danach selbständig verschwindet. Ist diese Spur beispielsweise 5 nS breit, ist eine Stabilität von 1*10-9 erreicht, bei 0,5 nS sind das dann 1*10-10. Bei größtmöglicher Auflösung macht das beim TDS220 allerdings nur eine Breite von 1 mm aus! Wer’s noch genauer haben möchte, soll sich den Spurbeginn merken oder das „Nachleuchten" im LCD auf „unendlich" schalten und die Verschiebung in 1000 Sekunden bestimmen. Der Wert wäre dann bei gleicher Skalenbreite  eine Zehnerpotenz besser. Ein Beispiel dafür zeigt das Bild. Es wurden über 17 Minuten gemessen. Wer nachrechnet, wird bei der dargestellten und gespeicherten 60-nS-„Spurbreite" auf eine Frequenzstabilität von 6 x 10-11 kommen! Man möge berücksichtigen, dass ein damit synchronisierter Frequenzzähler bei 10 GHz Messfrequenz einen Unsicherheitsfehler von weniger als 1 Hz anzeigen würde oder müsste! Hoffentlich raucht jetzt bloß „die Birne" und nicht das Equipment!

Es soll hier nicht eine Studie über Kalibrierungsmessungen erörtert werden. Dennoch sei der Verweis auf folgendes Messkonzept erlaubt. Es könnte ja sein, dass vielleicht der eine oder andere Funkamateur im Besitz entsprechender Messapparaturen ist. Ein guter Messplatz lässt sich meist extern synchronisieren. Häufig werden auch Schwebungsvergleichsmessungen damit möglich sein. Das heißt, dass das Signal oder dessen Oberwelle im Messplatz mit dem internen Synthesizer gemischt wird, welcher nach Bedarf in der Frequenz geringfügig um einen bekannten Wert verstimmt ist. Das Mischsignal liegt dann im Audiobereich und kann abgehört werden. Dieses Konzept bietet zwei entscheidende Vorteile. Einerseits ist der abweichende Offset ein Kriterium für die Frequenzgenauigkeit. Andererseits kann die Stabilität direkt „abgehört" und beurteilt oder mit einem entsprechenden PC-Programm, beispielsweise mit dem hervorragenden, kostenlos „download-baren", aber wenig bekannten Argo (von Alberto, I2PHP und Vittorio, IK2CZL) grafisch, meist in Wasserfallgrafik visualisiert, beurteilt und ausgewertet werden. Das allerdings recht gut bekannten DigiPan ist leider damit, von der Frequenzauflösung der Wasserfallgrafik her, total überfordert. Übrigens findet sich zur NF-Analyse eine tolle Sammlung von Programmen bei Dr. Oliver Welp, DL9QJ in der „Amateur Radio Soundblaster Software Collection". Den primären Messaufbau mit unserem Gerät zeigt das Bild, wobei das zweite, zu vergleichende Signal ebenfalls über die interne Frequenzsynthese eines zusätzlichen Messplatzes „vervielfacht" wird. Die Verkabelung der Geräte ist ein ganz schöner Drahtverhau. Deshalb wurden der Übersichtlichkeit halber die „Versorgungskabel" für das Foto entfernt. Das Vervielfachen bei diesem Messsystem hat weiter den Vorteil, dass sich die zu beurteilende Größe (Stabilität oder Frequenzabweichung) ebenfalls im Verhältnis der Vervielfachung vergrößert. Ausnahmsweise ist das für den analytischen Messvorgang von Vorteil. Qualitativ bessere Ergebnisse liefert natürlich das Vervielfachen in einem expliziten Aufbau, da naturgemäß die „Unreinheiten" der Regelstufen des Synthesizers im Messplatz das Ergebnis geringfügig verfälscht. Auch der hier verwendete CMTA von Rohde&Schwarz ist davon nicht ganz gefeit. Gar ein zweites, identisches Exemplar wird wohl auch selten zur Verfügung stehen.