www.frequenznormal.de.vu
 

10 MHz Referenzfrequenz aus billigem TCXO der GSM-Technik Prototyp


Als Leitgedanke gilt, wie an anderer Stelle meiner Homepage beschrieben: Ein Frequenzzähler und auch die µP-gesteuerte Synthesizeranzeige ist nur so genau wie das dahintersteckende Referenzsignal, welches überwiegend aus einem Quarzoszillatorsignal von 10 MHz abgeleitet ist. Ändert sich dieses Signal, beispielsweise durch Temperatureinflüsse nur um 1 Hz, dann würde ein damit angesteuerter Frequenzzähler, oder auch ein Synthesizer bei einem GHz schon bereits eine Abweichung von 100 Hz daraus machen. Der Fehler hat sich also im Frequenzverhältnis vervielfacht. Was nützt da eine aufwändige Zählertechnologie, wenn die letzten Stellen von den teuer erkauften 10 Digits Roulett sind? Auch ein noch so geschickt konstruierter Quarz-Referenzoszillator ist leider mehr oder weniger stark temperaturabhängig und bedarf einer ausgeklügelten Temperaturkompensation. Die vorliegende Schaltung hilft, das Temperaturproblem mit einfachsten und kostengünstigen Mitteln weitgehend auf ein vernachlässigbares Minimum zu reduzieren, ohne auf eine Refernzanbindung, beispielsweise durch die Synchronisierung mit dem Videosignal des ZDF®s, zurückgreifen zu müssen.

Zur vollständigen Darstellung dieser Seite, speziell der Links, ist unbedingt Javascript notwendig. Bitte aktivieren Sie dieses in Ihrem Browser!
 

1.  Lösungsansätze

Ich beschäftige mich schon seit vielen Jahren damit, meine erzeugten Frequenzen penibel genau zu kontrollieren. So wuchs im Laufe der Zeit einerseits mein Messpark ins Uferlose, andererseits war ich ständig beschäftigt, neue Ideen und unterschiedliche Konzepte der stabilen Referenzsignalerzeugung in die Tat umzusetzen.
Das hier vorgestellte, ultimative Modul©, dient nun als dauerhafte, eigenständige Referenzquelle, welche ein dekadisches Frequenzsignal von 10Mhz oder 1MHz benötigen; beispielsweise für Frequenzzähler, Synthesizer, Messplätze, Funkgeräte, u.s.w. Amplitude und Pegel des Ausgangssignals spielen dabei eine untergeordnete Rolle. Wichtig ist nur, dass das Signal stabil, so wie weitgehend frei von Seitenbandrauschen und störender Phasenmodulation ist.
 
 
 

2. Umsetzung
 

Überbestände aus der Elektronikindustrie überfluten teilweise die Elektronikflohmärkte. Die Preise und das Angebot erscheinen dabei und ändern sich wie ein Wurf mit einer Handvoll Würfel. So war damals auf der allerletzten "Flohtronika" in Nürnberg auch eine Kiste voller unscheinbarer SMD-bestückten, großzügig unbeachteten Platinen mit einem kleinen PCX-Koaxstummel. Aus Langeweile und mangelnder Kauflust, beziehungsweise übersteigertem Kauffrust am späten Nachmittag ließen dann doch einige dieser Objekte den Besitzer wechseln. Was soll man damit sinnvolles anfangen, und noch dazu mit den sonderbaren 13 MHz; kein Mensch braucht so etwas? Also ab damit auf ungewisse Zeit in die ewigen Jagdgründe der gigantischen angewachsenen Kiste für unerledigten Projekte in der heimischen Funkbude. Zufällig taucht dann Dank der findigen Köpfe beim Verlag des Funkamateurs® die Applikation über einen PLL-Schaltkreis aus der GSM-Technik auf. Natürlich wegen der kompakten Synthesizertechnologie. Ganz nebenbei wurde auf die bei dieser Technologie übliche Referenzfrequenzerzeugung mit 13 MHz Oszillatoren verwiesen. War da nicht....? Ist da nicht ....? ....in meiner Bastelkiste? Und da kommt der verwaiste "Industrieschrott" wieder zum Vorschein. Könnte ja doch gute Technik sein! Fast zeitgleich erscheint in einer Ausgabe der UKW-Berichte® ein Artikel von Wolfgang Schneider, DJ8ES, welcher so ganz nebenbei auf die aussergewöhnliche Qualität des kleinen TCXO von Philips® hinweist. Absolut lineare Abstimmung über ziemlich genau 250 Hz mit 0 bis 5 V, mit Sollfrequenz um 2V. Ausgangspegel von 300 mVss und einer Kurzzeitstabilität von +-2 x 10-8 Hz/S. Das ist doch 'was! Nebenbei ist da noch ein Bild von dem Ding mit identischen Fertigungsdaten zu meinen erworbenen Exemplaren. So sind wohl die Wege der Bauteile vom Flohmarkt durch ganz Deutschland zu verfolgen! Übrigens noch eins vorweg: In der Technik wird dieses Ding auch teilweise als VC-TCXO oder VCTCXO bezeichnet, weil es sich durch die zusätzliche Möglichkeit einer Spannungsabstimmung (VC) vom reinen temperaturkompensierten (TC) Quarzoszillator (XO) unterscheidet. Der Einfachheit halber sei es im Folgenden doch nur kurz als TCXO bezeichnet.
Ich erinnere mich an den Kauf und bedauere, ohne bis dahin etwas damit produziert zu haben, den geizig spartanischen Minimalkauf. Und weil mich dann noch die Neugierde übermannt und mich das Innenleben interessiert, beginne ich an den winzigen Seitenlaschen herum zu hebeln, bis ich es schließlich ganz unerwartet schnell offen habe. Anbetracht der hauchdünnen Keramikplatine ein eigentlich unmögliches Unterfangen. Etwas Dusel gehört eben manchmal auch mit zum Handwerk, denn das Gehäuse ist gemeinerweise innen mit dem Quarz verlötet. Durch einen glücklichen Umstand, nämlich durch die Verwendung eines anscheinend vor der Fertigung stark oxidierten Materials, hat sich bei diesem Exemplar die daraus resultierende, schlecht diffundierte Lötstelle leicht gelöst, ehe die angehebelte Keramikplatine zerspringen konnte. Ein zweites Mal riskiere ich das aber beim anderen Exemplar lieber nicht mehr! (Parallelen zur Büstenhalterszene im Amerikan Pie sind rein zufällig!) Gebracht hat es ja auch nichts, den unter dem vergossenen Klecks gab es nichts zu sehen. Wie ein Miniquarz aussieht, das ist ja wohl keine Weltsensation. Aufmerksam studiere ich anschließend etwas enttäuscht von meiner Entdeckungsreise in den Mikrokosmos die vorliegenden Veröffentlichungen. Die Frequenzvervielfachung oder die „Anbindung" eines Oszillators an einen anderen mit vielfacher Frequenz, oder dessen Bruchteils ist nun wirklich nichts neues und haut mich daraufhin auch nicht vom Hocker. Häufig verwendet man dazu Vervielfacherstufen, Teilerketten und/ oder PLL-Schaltkreise. Aus den 13 MHz eine Frequenz von 1 MHz zu erzeugen ist nun wirklich nicht das Problem. Schneider verwendet dazu einen 74HC93 mit Gatter. Ich erinnere mich an die Technik des legendären Commodore C64. War da nicht für ähnliche Problematik ein "Rückwärtsteiler" mit dem 74LS193, alias den mittlerweilen betagten elrad®-Laborblättern des Heise Verlags von 1992? Damit ginge es dann Dank der Voreinstellung wenigstens ohne zusätzliches Gatter. Schwieriger wird es mit der folgenden 10 MHz-Erzeugung. Da braucht man schon mehr "Schmalz". Logischer Gedankengang, wie angedacht: 13 MHz geteilt durch 13! Zusätzlich wird ein nachgeregelter 10 MHz Oszillator an die auf 1 MHz geteilten 13 MHz "angebunden". Bisher alles Standardtechnologie! So macht es natürlich auch - wie ersonnen - Kollege Schneider. Man könnte, so grüble ich, gleich den 4046 von der Originalplatine mit verwenden, wenn das nur nicht die verdammt kleine SMD-Technik wäre!

PrototypDa kam mir die Technik mit der FLL (an anderer Stelle meiner Homepage beschrieben) in den Sinn. Also der Einfachheit halber in altbewährter Technik: Vergleichsfrequenz einfach mit den gewohnten 15625 KHz respektive bei 64 µS und Adaption der Schaltung mit dem programmierten PIC aus dem Frequenznormal. Schnell eine Platine entworfen, eingeschaltet und: stabile Frequenz mit exakt 10 MHz. Hier ist ein Foto des fertigen Prototypen und der zugehörige Bestückungsdruck aus dem Computer. Wer Bedarf an diesem Layout hat und damit keine kommerziellen Absichten verfolgt, der kann es sich für persönliche Zwecke als nur 33 kB große, gezipte BMP-Datei downladen, mit einem beliebigen Grafikprogramm auf  75,0 mm x 45,6 mm skalieren und ausdrucken. Natürlich kann sie auch als Vorlage für eigenes Umgestalten oder als Hintergrund im hoffentlich vorhandenen SprintLayout® (ultimatives Layoutprogramm für Hobbyanwendungen der Delmenhorster Firma ABACOM) importiert werden. Der programmierte PIC ist bei Bedarf bei mir zu bekommen. Aber wie man sieht, eine doch recht aufwändige Methode, aus einem 13-MHz-TCXO saubere 10 MHz herauszukitzeln.

Geht es auch anders; vielleicht ganz anders, vielleicht gar einfacher? Ja, das 1 MHz Signal wird beispielsweise vervielfacht, gefiltert und verstärkt/ begrenzt; pragmatischer Weise sogar mit einem Half-Ladder-Quarzfilter. Ich erinnere mich an die Zeiten, wo man mit Frequenzvervielfachern 10 GHz-Injektionsoszillatoren baute. DL1RQ hat damals als erster stimulierte Oszillatoren auf der Endfrequenz stabilisiert. Das Seitenbandrauschen hatte dabei nie dagewesene Phasenreinheit und ließ die Technik auch für seitenbandrauschfreie SSB-Technik auf dermaßen hohen Frequenzen brauchbar werden. Von Teisnach aus waren damit in den 80er Jahren mit äußerst schwachen Signalen erste 3-cm-Überhorizont-QSOs durch den überaus gebirgigen Bayerischen Wald bis nach Salzburg möglich.

Also Oberwellenstimulation eines Quarzoszillators - das ist der Casus cnaxus, der gedankliche Ansatz zur Erzeugung einer optimalen Referenzsignalqualität! Wie sieht dazu die Technik aus? Welche Schaltung ist nun dafür geeignet und verwendbar? Im Internet stieß ich auf einen Applikationsbericht von Texas Instruments®. Die Wahl fiel auf die abgebildete Prinzipschaltung. Durch viele Versuche mit bombastischer Messapparatur, mit derlei Geschossen wie (m)einem Netzwerkanalyser der Firma ADVANTEST Version R3361A wurde diese lapidare Schaltung für "stimulierte Frequenzregelung" umfunktioniert und optimiert. Stolz ob des Ergebnisses und aufgrund der Einmaligkeit der Schaltungsstrategie und der damit verbundenen Erstveröffentlichung sei hier ausdrücklich auf Rechtslage und Copyright verwiesen. Der Plot zeigt beeindruckend das minimale Seitenbandrauschender fertigen, nun folgenden Minimaltechnologie im Vergleich zu einer recht umfangreichen, aufwändigen Vervielfacherschaltung mit zusätzlichem zweistufigem Quarzfilter bei beispielsweise 39ster Oberwelle!
 
 
 

3. Funktionsbeschreibung

Das vorliegende Modul erzeugt absolut phasenstarr, hochstabile Referenzfrequenzen von 1 MHz und 10 MHz mit der Genauigkeit und der Stabilität des eingesetzten TCXOs, der allerdings auf 13 MHz schwingt. Dazu wird zunächst das sinusförmige Oszillatorsignal mit dem ersten Gatter des 74HC04 in ein steilflankiges Digitalsignal umgewandelt, welches dann den "down"-Eingang des nachfolgenden Abwärtszählers 74HCT193 solange triggert, bis der Zählerstand "0000" erreicht ist.  Ein ultrakurzer Nadelimpuls von wenigen Nanosekunden setzt den Zähler auf den Binärwert "1011", das bedeutet dezimal 13. Das wiederholt sich genau  nach 1 µS; sprich: mit einer Frequenz von exakt 1 MHz. Der nebenstehende Ausdruck des Originaloszillogramms eines Tektronix® TDS 220 verdeutlicht genau dieses "Zeitfenster" und die daraus resultierenden zeitlichen Zusammenhänge des Referenzfrequenzkonverters. Ohne die außergewöhnlichen Trigger-, Vermess- und Speichereigenschaften dieses höchstwertigen Messmittels wäre die Realisierung diese Projekts keinesfalls zu verwirklichen gewesen. Die rechnergestützte FFT-Analyse des digitalen LCD-Zweikanal-Scops, die Samplerate von 1 GHz und das skalare Messraster von minimal 5 nS bieten eben den höchsten Komfort in der Messwerterfassung. Nun weiter in der Theorie des Konverters: Der über den 68 pF Kondensator angekoppelte Quarzoszillator (farbig markierter Teil im Schaltbild) wird dabei genau im "negativen Scheitel" jedes 10ten Impulses (das ist deutlich im rechten Oszillogramm zu erkennen) so gut wie absolut jitterfrei synchronisiert, ähnlich einem etwas "übersteuerten" Audion und ist vom Prinzip her eine PLL "in der verkehrten Richtung"! Das Ausgangssignal wird schließlich durch vier parallelgeschaltete Gatter auf niedrige Impedanz gebracht; gleichzeitig verhindet es Rückwirkungen bei plötzlicher Laständerung. In der Originalapplikation von Texas wurden deswegen gleich zwei Gatter hintereinander geschaltet. Aus Gründen des sich dabei potenzierenden Stromverteilungsrauschens wurde aber davon hier Abstand genommen. Das im oberen Oszillogramm dokumentierte Überschwingen des gänzlich unbelasteten Ausgangssignals kommt übrigens durch Laufzeitunterschiede im IC zustande, welches bei entsprechender Anpassung vollkommen verschwindet. Wer die Messmöglichkeit hat, der kann durch Ändern der drei Kapazitätswerte rund um den Quarz noch das absolute Null an Jitterfreiheit herauskitzeln. In der Originalschaltung wurden diese Werte für einen Quarz der Marke "SUN" optimiert. Ein anschließender Wechsel brachte so gut wie keine Signalveränderungen mit sich. Wegen der kurzen Anstiegszeiten musste der prädestinierte, rauschärmere HCU-Typ aus der Originalapplikation der steilflankigeren HC-Variante weichen. Die messtechnisch ausgesuchten Philips-ICs brachten dann die besten Ergebnisse. Andere Teiler-Typen sind auch denkbar, jedoch ist der '193 das schnellste Exemplar unter all seinen Mitstreitern und er liefert zudem noch den "schmalsten"  (oberwellenreichsten!) Triggerimpuls. Aus diesem verwendeten, "hardware-konfigurierten" 13er-Teiler lässt sich natürlich auch bei Bedarf ein nahezu symmetrisches, total jitterfreies Ausgangssignal von genau 1 MHz abgreifen. Obwohl streng genommen messtechnisch mit einem Frequenzzähler aus diesem IC sowohl 2 MHz, 3 MHz und sogar 7 MHz zusätzlich extrahiert werden könnten, sind aber diese weiteren Signale mehr oder minder aperiodisch und für sinnvolle Zwecke einer Referenzerzeugung äußerst ungeeignet. Auch durch beste Filtermaßnahmen und anschließende Teilung ist eine unterschiedlich starke "Verjitterung" in Form einer Phasenmodulation nicht zu beseitigen. Die Pins 6, 2 und 3 vom 74HCT193 sind deshalb absolut tabu!

Natürlich gehört zu jedem Schaltungsentwurf auch ein sauber entflochtenes Platinenlayout. Sowohl elektrische Eigenschaften, gleichmäßige Bauteileverteilung und brückenfreie einseitige Leiterbahnführung gehören nach wie vor zu den Maximen des Autors. So kam dann dieser Entwurf zustande, welcher mit sPlan 3.0 gezeichnet und mit dem brandneuen SprintLayout 4.0 von ABACOM® geroutet wurde. Beide Bilder sind durch weiteres Bildmaterial unterlegt!






4. Wertung
 

Wie bereits angedeutete, wird mit diesem Minimalkonzept eine Anbindung eines 10 MHz Oszillators an eine 13 MHz Signalquelle verwirklicht. Messtechnisch braucht sie dabei den Vergleich mit einer weitaus aufwändigeren PLL-Lösung nicht zu scheuen. Die Platine wurde dabei so gestaltet, dass man damit die in den Ausmaßen und den Anschlusspins das an anderer Stelle publizierte Frequenznormal praktisch ersetzen kann. Lediglich die Lage der Ausgangssignalpins ist aus konstruktionstechnischen Gründen um 180 Grad vertauscht, was durch Drehen der Anschlussleitung leicht kompensiert werden kann. Auch wenn die Stabilität und die Temperatureigenschaften nicht mit einem Rubidiumfrequenznormal oder einem temperaturgeregelten Quarzofen zu vergleichen sind, erhält man damit doch einen sehr billigen, eigenständigen Referenzoszillator, der den Alltagsanforderungen eines Funkamateurs allemal gerecht wird.
 
 
 
 

5. Sind Bausätze und Bauteile erhältlich?

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind keine industriell gefertigten Platinen vorgesehen. Das Projekt sollte lediglich eine schnelle, praktische und billige Lösung für einen Referenzoszillator sein und als Grundlage für weitere Projekte eines äußerst präzisen, automatisch nachgeregleten Frequenznormals dienen. Sofort nach Fertigstellung wird das Ergebnis an dieser Stelle auch veröffentlicht werden. Wer Bedarf am obigen Layout hat und damit keine kommerziellen Absichten verfolgt, der kann es sich für persönliche Zwecke als nur 20 kB große, gezipte BMP-Datei downladen, mit einem beliebigen Grafikprogramm auf 54,5 mm x 45,6 mm skalieren und ausdrucken. Natürlich kann sie auch als Vorlage für eigenes Umgestalten oder als Hintergrund im hoffentlich vorhandenen ABACOMs SprintLayout® importiert werden.
 
 
Alle nicht durch Quellenangaben ausgewiesenen technischen Detail stammen vom Autor selbst. Diese Konzepte sind urheberrechtlich geschützt. Eine kommerzielle Nutzung dieser Techniken und die gewerbliche Vermarktung, sei es auch nur die reine Reproduktion der Schaltung für nicht private Zwecke im Gesamten, in Details sowie in abgeänderter Form sind nur mit schriftlicher Zustimmung des Entwicklers statthaft.

 
 
 
Kontakt mit dem Autor
zurück!  zurück zur Ausgangsseite!
© by DK6RX, Norbert Friedrich  2003
Diese Seite wird ständig aktualisiert; bookmark diese Seite oder die Domain: www.frequenznormal.de.vu
Das Kopieren, nicht aber das Verlinken dieser Seite im Internet bedarf sowohl für den kompletten Inhalt, als auch nur auszugweise, für einzelneTeile oder Files der Zustimmung des Verfassers!
last Update: 2003-12-06