Der 10-MHz-Quarzoszillator

Der Oszillator ist gewissermaßen das Herz der ganzen Schaltung. An seiner Leistungsfähigkeit hängt die Qualität des ganzen Konzepts. Der Quarzoszillator aus dem Video-Frequenznormal ist ausgereift und recht effizient. Für das geforderte System war er letztendlich doch noch nicht ganz optimal genug. Kurzzeitstabilität, weitgehende Unempfindlichkeit gegen Belastungsänderungen, Spannungs- und Temperaturschwankungen waren hier zwar gut, aber leider nicht „spitzte“. Es mussten deshalb andere, realisierbare und reproduzierbare Lösungen gefunden werden, welche den sicheren, zuverlässigen und vor allen Dingen erschwinglichen Nachbau ermöglichen sollte.

Ein Quarzofen schied wegen der nicht allgemeinen Verfügbarkeit, der Kosten, der langen Aufheizzeit, der Baugröße und des immensen Strombedarfs von vornherein für eine allgemeine Variante aus. Schließlich war ja von der Zielsetzung her vorgesehen, ein „einfaches“ Frequenznormal zu konzipieren. Ein geeigneter, kleiner VCTXO für 10 MHz ließ sich anfangs jedoch in entsprechenden Stückzahlen für einen Veröffentlichung so gut wie nicht zu beziehen.
Ein anderer, vom Autor entwickelter Umsetzoszillators (Konverter) lieferte zwar super rückwirkungsfreie Signale, war aber schaltungstechnisch recht umfangreich und wurde deshalb „hinten angestellt“. Und hier eine generelle Aussage, welche für die technische Umsetzung des gesamtem Projekts eine Schlüsselrolle einnimmt: Um die Stabilität des verwendeten Referenzoszillators auch wirkungsvoll auszunützen, bedarf es eines kleinen, eingeengten Nachregelbereichs. Das geht aber in den hier angestrebten Dimensionen mit einem deutlich langsameren Nachregelvorgang einher. Folglich wird das „Hochfahren“ des Frequenznormals extrem langsam und damit träge. Mögliche Störgrößen, vorwiegend durch die Umgebungstemperatur bedingt, werden zu langsam korrigiert. Der Regelvorgang wird dann selbst zur Störgröße und das System wird schlussendlich instabil. Das wäre also ein gewaltiger Schuss in den Ofen! So fordert das eben Tribut und zwingt zu einem Kompromiss. Bei den hier vorliegenden Dimensionen, ein nicht leichtes Unterfangen! So fiel nach langer Experimentierphase schließlich die Wahl auf einen, nach Anfrage beim Hersteller nicht mehr gefertigten, aber dennoch in großen Stückzahlen (lt. deutschem Lieferanten) verfügbaren TTL-Oszillator-Baustein SN74LS321N von Texas Instruments.

Dieser wartet mit erstklassigen Werten auf, sodass nicht auf die weitaus weniger komfortable Standard-Schaltung mit einem 74HCU04 vom selben Halbleiterproduzenten zurückgegriffen werden musste. Sofern irgend wann der TI-Baustein doch nicht mehr verfügbar sein sollte, muss eben eine kleine Adapterplatine mit einer Ersatzschaltung diesen Baustein simulieren! Anzumerken ist, dass im SN74LS321N intern eine recht stabile Oszillatorschaltung eingesetzt wird, welche mit einer relativ geringen Oszillatoramplitude schwingt. Scheinbar hat der geringe Oszillatorpegel auch Auswirkungen auf die tolle Frequenzstabilität! Durch eine Varicap-Ansteuerung mit der modernen SMD-Diode BB833 erreicht man einen genügend großen Abstimmbereich. Statisch gemessen ergibt das einen Regelbereich von etwa 750 Hz für einen Spannungshub von nominell 5 V Regelspannungsbereich. Auch die konventionelle Diode BB205B wurde getestet und Versuche mit geringerer Ankopplung wurden ebenfalls unternommen.

Den durchschlagenden Erfolg brachte aber nur die hochlineare Kapazitätsdiode BB833. Dazu später mehr. Nach Datenblatt des SN74LS321N ist je nach Frequenz noch ein sog. Tankkreis erforderlich, der bei 10 MHz lediglich aus einer Induktivität mit ca. 6 µH besteht. Gleichzeitig besitzt der favorisierte Baustein eine Ausgangspufferstufe mit separater Stromversorgung. Nicht weniger erstaunt war ich, als ich rein zufällig die abgemagerte Variante der Vorgängerversion dieses Bausteins auch in seinem Efratom-Rubidium-Frequenznormals als Oszillatorkern wieder fand.

Bei erster Inbetriebnahme muss mit einem Scope ein 10-MHz-Rechtecksignal am Ausgang mit annähernd gleichem Puls-Pausen-Verhältnis feststellbar sein. Bei dreifacher Frequenz oder bei extrem abweichenden Puls-Pausen-Verhältnis ist die Tankkreisinduktivität L1 zu ändern. Der Knotenpunkt des Spannungsteiler R22/R1 wird abwechselnd mit Masse oder +5 V verbunden. Die mit einem möglichst genauen Frequenzzählers gemessene Frequenz muss sich dabei um einige 100 Hz ändern. Hier lässt sich ein erster Abgleich durchführen, indem der Trimmer C3 soweit korrigiert wird, dass bei eingespeister Spannung von 5 V eine Frequenz um 10.000.200 Hz erreicht wird. Notfalls muss der Parallelkondensator C4 durch einen mit anderem Endwert ersetzt werden, wenn ein Quarz mit abweichender Bürde verwendet wird. Hier sei auch noch angemerkt, dass durch die Parallelschaltung der Varicap (starke Ankopplung!) zu C3/C4 die Kennlinie nicht mehr geradlinig, sondern „parabelförmig“ gekrümmt ist. Die Keramikkondensatoren C4 und C5 sollten entsprechend der Stückliste die passende Kennfarbe aufweisen. Damit wurde der Temperaturgang weitgehend kompensiert, was sich positiv auf die Stabilität auswirkt. Die starke Ankoppelung ist für den entsprechend großen Regelbereich notwendig. Wird der Koppelkondensator C5 auf 12 pF verringert, verläuft die Kennlinie wesentlich „geradliniger“, dadurch wird jedoch der effektive Abstimmbereich auf die Hälfte reduziert. Das reicht zwar zu Regelung vollkommen aus, der Temperaturgang bei gröberen und schnelleren Temperaturschwankungen ist aber in diesem Fall im Verhältnis zur Regelgeschwindigkeit zu groß. Gemeint ist, dass die Nachregelung nicht mehr mitkommt und das Frequenznormal instabil wird. Außerdem wirkt sich die langsamere Regelgeschwindigkeit merklich auf das „Einschwingen“ nach der ersten Synchronisation aus.

Der „krummen“ Kennlinie wurde aber anfangs keinerlei Bedeutung auf die Qualität des Frequenznormals beigemessen. Die ersten Platinenentwürfe waren gar für die noch unlinearere BB205B ausgelegt. Frühe Tests wurden mit einem Folientrimmer durchgeführt. Wegen des sehr schlechten Temperaturverhaltens ist hier unbedingt einem Keramiktrimmer den Vorzug zu geben. Allerdings nagt das „ewige“ Drehen an dem Ding stark an dessen Lebenserwartung! Es zeigte sich bei anfänglichen Versuchen ein seltsames Phänomen. Das Frequenznormal driftete nach dem Einschalten relativ lange nach unten. Zudem zeigen sich im „Feinbereich“ permanentes Regeln um die Mittelfrequenz. Das konnte und wollte man bei dem gesetzten Maßstäben nicht hinnehmen. Die Lösung liegt nach langen Experimenten im zusätzlichen Einbau eines Bypass-Widerstands R22 in den Regelkreis.

Dadurch wird die gekrümmt verlaufende Regelkennlinie bis auf einen ganz kleinen unteren Anfangsbereich weitgehend „dynamisch gerade gebogen“. Je niedriger die erzeugte Regelspannung ist, desto stärker wirkt der Bypass. Das verbessert das Regelverhalten um ein Vielfaches. Gleichzeitig wird dabei die „effektive“ Regelspannung an der Varicap etwas „angehoben“ und aus dem Mittel in den lineareren Bereich verschoben. Am Testpunkt auf der Platine liegt hingegen eine Gleichspannung an, welche exakt dem Puls-Pausen-Verhältnis des D/A-Wandlers entspricht. Durch die erwähnte Korrekturschaltung mit dem Bypass wird natürlich auch der Abstimmbereich etwas kleiner, was aber noch weit im tragbaren Bereich liegt.

Dem Gehäuse und auch dem ausgewogenen Platinenaufbau des GPS-Frequenznormals sowie der mechanischen Stabilität kommt große Bedeutung zu. Es hat eine gefälliges Äußeres, ist kompakt, stabil und robust, ermöglicht eine perfekter HF-Abschirmung und es dient gleichzeitig im Betrieb als thermische Kapsel. Aus diesem besonderen Grund kann es deshalb vielleicht auch noch über und unter der Platine mit wärmedämmenden Materialen ausgekleidet werden. Hier eignet sich beispielsweise ein ein- oder zweilagig, passend zugeschnittenes Stück Styroportapete. Auch ohne diese Maßnahmen reagiert die Elektronik im geschlossenen Zustand weder auf mechanische Einflüsse noch auf übliche Temperaturschwankungen. Übermäßig große Temperatursprünge wirken sich aber dann doch störend auf die Stabilität des Frequenznormals aus. Die im Gehäuse erzeugte Wärme stellt sich normalerweise nach geraumer Zeit auf einen konstanten Wert ein. Ein stabiles, inneres Gleichgewicht ist deshalb erst nach einigen Minuten erreicht, wenn sich die wenige Abwärme der Stromversorgungsstufe und der Bausteine auf dem GPS-Empfänger im Innenraum gleichmäßig verteilt hat und nicht mehr ändert. Die äußere Wärmeabfuhr ist durch die silberfarbenen Halbschalen anscheinend gerade so groß, dass das gesamte Gerät nach gewisser Zeit eine gleichbleibende Temperatur beibehält, was so dem Temperaturverhalten des Oszillators zugute kommt. Auf einen Quarzofen oder eine andersartige Temperaturstabilisierung für den Oszillator kann deshalb gänzlich verzichtet werden, da die äußerst geringen, noch verbleibenden Temperaturschwankungen elegant durch die Nachregelung bewältigt werden, ohne dass Auswirkungen auf die Stabilität des Ausgangssignals zu verzeichnen wären. Wer seine Zelte und damit auch sein Shack auf einem Bahnsteig aufgeschlagen hat, muss deshalb das Frequenznormal zwangsläufig wie an anderer Stelle beschrieben mit einem teuren OCXO oder noch teureren Rubidiumoszillator modifizieren.



Wälzt man das Datenblatt des SN74LS321N, so wird man anhand des Blockschaltbildes unschwer feststellen, dass es außerdem hierbei praktisch und technisch recht einfach möglich ist, intern geteilte Frequenzen direkt abzuzweigen und nach persönlichem Bedarf in konventioneller Verdrahtung auf Buchsen an der Rückseite zu führen. Die Verwendung nicht besonders gepufferter Signale geht aber sehr auf Kosten der Stabilität, wenn diese unterschiedlicher Belastung ausgesetzt sind. Die Tabelle zeigt, welche Möglichkeiten bestehen, (rein theoretisch) dem Frequenznormal genormte und damit auch gleichermaßen genaue und stabile Frequenzen dem Gerät zusätzlich zu entlocken wären. Allerdings ist hier besonders auf die ebenfalls vermerkten Signalformen und Rückwirkungen auf das Gerät zu achten.


 
 
 




Eventuelle Optimierung der einzigen Schwachstelle Frequenzstabilität bedingen notgedrungen die Verwendung eines noch stabileren Oszillators, beispielsweise eines guten TCXO oder eines Quarzofens (OCXO), da man, nebenbei bemerkt, mit den aufgezeigten, verwendeten Mitteln in der Tat schon am Ende des Machbaren angekommen ist und bereits an die Grenzen der Physik stoßen wird. Wer aber wirklich an ein solches Stück heran kommt oder gar zufällig eines in seiner Bastelkiste liegen hat, der ist gut beraten, die Schaltung dahingehend zu modifizieren.
 




Mit der Kompaktheit eines zierlichen Gehäuses ist es dann aber vorbei! Der Integrierwiderstand R1 darf bis zu 1 kOhm verkleinert werden. Der „Ladekondensator“ C1 kann fast beliebig vergrößern werden. Notfalls ist der Abstimmbereich durch einen nachgeschalteten Spannungsteiler zu verkleinern. Ein kleiner TCXO lässt sich eventuell noch im Gehäuse unterbringen und „fliegend“ verdrahten.
 




Aufgrund der detaillierten Beschreibung wird das sicher individuell auch möglich sein. Das nötige Wissen dafür, dürfte in diesem Beitrag wohl „rüber gekommen“ sein. Mit einem OCXO ist das schon diffiziler. Neben dem erhöhten Strombedarf, dem zusätzlichen mechanischem Umfang spielt aber in der Regel der Anschaffungspreis eine nicht unmaßgebliche Rolle. Abgesehen von den allgemeinen Beschaffungsproblemen und der damit verbundenen schlechteren allgemeinen Nachbausicherheit. Deswegen wurde das im FA veröffentliche Konzept in einer gut reproduzierbaren Form gehalten, auch wenn damit nicht das letzte Quäntchen an Stabilität herausgepresst worden ist. Auch die wesentlich verlängerte „Einlaufzeit“ wirkt sich bei Verwendung eines Quarzofens oder durch Verkleinern des Regelbereichs auf den späteren, rauhen Alltagsbetrieb nachteilig aus.

Wer aber dennoch daran gefallen findet, möge sich mit Abänderung und Optimierung der Schaltung in diese Richtung befassen. Möglicherweise wird in ferner Zukunft der Oszillatorbaustein vom Markt verschwinden. Eine kleine Huckepack-Platine an dessen Stelle mit einem 74HC04 sieht zwar nicht so gut aus, wird aber sicher ähnliche Qualität bringen können und den Aufbau nach dem Originalkonzept der Erstveröffentlichung ermöglichen. Der Oszillatorbaustein ist schnell aus der Fassung genommen, die Signalleitungen sind problemlos auf der Platine verfügbar und auch leicht an einen externen Oszillator, bzw. an einen OCXO zu führen. Bei Misserfolg ist der Originalzustand schnell wieder hergestellt! Vielleicht ein Ansporn an die Leserschaft, ebenfalls technische „Entwicklungshilfe“ zu leisten!

Dennoch wurde das Konzept weiterentwickelt und fertigen Lösungen und Alternativen für erstklassige Temperaturstabilität und höchste Rückwirkungsfreiheit an anderer Stelle dieser Veröffentlichung mit eingebunden, so dass allen individuellen Wünschen gerecht werden kann.