AMATEURTELE.COM
...if your desired language isn't available, the alternative language will be shown...
Nederlands
informatie pagina voor experimenteel radio-onderzoekers
- - -

timestandard (general)

Nederlandse inleiding permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#687
Veel apparaten werken met een interne "klok". Dat wil zeggen een oscillator signaal als referentie om het apparaat op basis van tijd te laten werken. Denk hierbij aan een zender/ontvanger en meetapparaten zoals bijvoorbeeld een spectrum analyser en frequentieteller. In de praktijk is er vaak een oscillator aanwezig op basis van een kristal. Het kristal is niet in de vorm van een "glimmende steen" maar vaak in de vorm van een stukje kwarts. Wanneer een kwarts kristal onder gelijkspanning wordt gezet, gaat het trillen met als gevolg dat de stroom in het ritme van de trilling/oscillatie varieert. Deze kleine stroom wordt versterkt zodat er een bruikbaar oscillator signaal ontstaat van bijvoorbeeld 10MHz. Dit signaal kan gezien worden als de "hartslag" van het betreffende apparaat. Omdat meetapparatuur niet altijd een oscillator heeft dat nauwkeurig genoeg is, is er een ingang voor een extern oscillator signaal mogelijk. Door een nauwkeurig oscillator signaal aan te bieden aan het meetapparaat wordt een extra grote precisie bereikt. Eén gemeenschappelijke oscillator bron voor meerdere (meet)apparaten wordt doorgaans een tijdstandaard genoemd. Hieronder wordt beschreven wat er op het gebied van hoge nauwkeurigheid voor experimenteel radio-onderzoekers mogelijk is waarbij het toch betaalbaar blijft

Nederlandse trilling van een kristallen of atomen permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#688
Er zijn type oscillatoren, namelijk oscillatoren op basis van een kristal en op basis van atomen. Atomen hebben een nauwkeurige eigenfrequentie van bijvoorbeeld 9.192.631.770Hz voor Cesium. Dit wordt toegepast in atoomklokken. Deze zijn nauwkeurig, groot, duur en nauwelijks portabel. Daarbij is een dergelijke nauwkeurigheid vaak niet nodig. Een goed "alternatief" is een oscillator op basis van een kristal. Dit is goedkoop, compact en onder bepaalde omstandigheden voldoende nauwkeurig. Vrijwel alle apparaten waarin een oscillator signaal gewenst is, werkt op een kristal.

Nederlandse kristallen en oscillatoren permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#689
Een kristal (als elektrotechnisch component) is vaak in een metalen "blikje" verpakt en heeft twee pootjes. Om een bruikbaar oscillator signaal te verkrijgen is een schakeling nodig waarin het kristal is opgenomen. Dit circuit met een kristal wordt doorgaans een oscillator genoemd omdat het gewenste uitgangssignaal een trilling ofwel oscillatie is. Ook zijn er kant en klare oscillatoren te koop. Hier wordt doorgaans een 5VDC spanning op gezet en er komt een klokpuls uit de "bouwsteen".

Nederlandse nauwkeurigheid kristal oscillator permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#690
Kristallen zijn elektromechanisch en daarmee gevoelig voor schokken en temperatuursveranderingen. Door de verandering van temperatuur, verandert de frequentie (helaas) ook. Wanneer een kristal warmer wordt, zet het kristal uit waardoor deze groter wordt met als gevolg dat de frequentie daalt. Wanneer een kristal wordt vast gepakt, kan door de handwarmte de frequentie van een 8MHz kristal al met 50Hz veranderen. (Klik hier voor de testresultaten van warmte op een kristal.) Deze verandering in frequentie heeft grote invloed op de nauwkeurigheid op de werking van het apparaat waar het kristal in zit. In getallen wordt de nauwkeurigheid van een kristaloscillator weergegeven als 1*10^-7. Wanneer het kristal in een zender afwijkt kan dit betekenen dat de zendfrequentie anders is dan de gewenste frequentie. Bij bijvoorbeeld een frequentieteller kan het effect van afwijking zijn dat er een verkeerde meting wordt weergegeven. Een paar tiende procent afwijking van een 10GHz signaal is toch een grote afwijking. Het is dus belangrijk dat het oscillator signaal stabiel en nauwkeurig is.

Nederlandse type kristal oscillatoren permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#691
Omdat kristallen van nature gevoelig zijn voor temperatuur, zijn er kristal ovens toegepast. In deze oven wordt het betreffende kristal op een stabiele temperatuur van ongeveer 45...85 graden Celcius gehouden. Een kristal oscillator wordt vaak afgekort als "XO". Een kristal oscillator in een oven wordt een "OCXO" genoemd als Oven Controlled Xtal Oscillator. De nauwkeurigheid is bij benadering 100 maal beter dan een oscillator dat niet in een oven geplaatst is. De nauwkeurigheid is daarmee ongeveer 1*10^-9. Een ander voorbeeld is een VCXO ofwel een Voltage Controlled Xtal Oscillator waarbij de frequentie met een spanning te beïnvloeden/compenseren is. Een TCXO is een Temperatur Compensated Xtal Oscillator waarbij de frequentieverandering door temperatuur elektrisch gecompenseerd wordt. En zo zijn er nog tal van mogelijkheden. Het toegepaste type is afhankelijk van de gewenste nauwkeurigheid, beschikbare ruimte, beschikbare hoeveelheid energie en beschikbare budget...

Hieronder staan een aantal kristal oscillatoren als voorbeeld afgebeeld. Links onder zijn kristallen te zien (X), rechts onder een aantal kristal oscillatoren (XO) en links boven is een kristaloven (OCXO) zichtbaar op een test printje voor een experiment.

image is loading...

Nederlandse atoomklok (Cesium en Ytterbium) permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#692
Het hoogste haalbare op gebied van nauwkeurigheid van oscillatoren is een atoomklok. De werking berust op de eigenfrequentie van atomen van bijvoorbeeld Cesium of Ytterbium. De gehaalde nauwkeurigheid is 6*10^-18. Ofwel één seconde afwijking per 5 miljard jaar! Uiteindelijk is de tijd gebaseerd op de draaiing van de aarde. Een atoomklok is echter nauwkeuriger dan de draaiing van de aarde. Om dit te compenseren wordt de draaiing van de aarde gecontroleerd en indien gewenst wordt er een "leap second" toegepast. Dan wordt er een seconde extra toegevoegd aan een bepaalde minuut. Zo kan het zijn dat een klok 23:59:60 aangeeft. Dit geldt uiteraard alleen voor klokken die gekoppeld zijn aan de atoomtijd en niet voor analoge klokken... In theorie kunnen er seconden toegevoegd worden of seconden van de tijd afgehaald worden. In de praktijk blijkt dat ongeveer eens in de één of twee jaar een seconde "toegevoegd wordt aan de tijd". Dit is sinds te telling 26 keer voorgekomen (tijdens het schijven van dit verhaal in 2015). Omdat de aarde steeds iets langzamer draait is het nog niet voorgekomen dat er een seconde van de tijd "afgehaald" wordt. In dat geval zou er van 23:59:58 naar 00:00:00 gesprongen worden waarbij 23:59:59 overgeslagen wordt. Atoomklokken met de bijbehorende fenomenen is een studie op zich. Daarom wordt hier verder geen aandacht aan besteed. Aannemelijk mag zijn dat atoomklokken niet allen nauwkeurig zijn, maar ook groot en duur. En daarmee niet relevant noch betaalbaar voor een experimenteel radio-onderzoeker.

Nederlandse atoomklok (Waterstof en Rubidium) permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#693
Als "alternatief" voor een Cesium atoomklok zijn er Waterstof en Rubidium "klokken". Een Waterstof klok is ook relatief groot en duur. De nauwkeurigheid ongeveer één nanoseconde per etmaal. Ofwel één seconde afwijking per 2,7 Miljoen jaar. Rubidium klokken zijn echter relatief goed betaalbaar en compact. De nauwkeurigheid is ongeveer één nanoseconde per dag. Ofwel 1*10^-11. Waterstof en Rubidium klokken zijn toegepast in GPS satellieten waarbij de Rubidium klok als backup werkt. Volgens ESA hebben Galileo satellieten zowel Waterstof als Rubidium klokken in tweevoud (als backup) aan boord.

Nederlandse tijdstandaard permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#694
Hierboven staat aangegeven dat nauwkeurigheid van oscillatoren van belang is voor apparaten om nauwkeurig te kunnen werken. Ook zijn er een aantal klokken/oscillatoren benoemd die in diverse gradaties nauwkeurig zijn. Met deze kennis is het mogelijk om voor experimenteel radio-onderzoekers een betaalbaar en nauwkeurige oscillator te bouwen zodat alle (meet)apparaten in de shack/lab zeer nauwkeurig zijn. Een Rubidium oscillator is het hoogst haalbare betaalbare voor een experimenteel radio-onderzoeker omdat een atoomklok te duur en te groot is. Toch blijft een Rubidium tijdstandaard nog érg veel geld. Een zéér goed alternatief voor een Rubidium oscillator staat in de alinea hieronder.

Nederlandse GPS gecorrigeerde OCVCXO als tijdstandaard (GPSDO; GPS disciplined oscillator) permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#695
De beste methode voor een (op korte termijn) lokale stabiele oscillator is een OCVCXO ofwel een spanning gecompenseerde kristaloscillator dat in een oven op stabiele temperatuur wordt gehouden. Denk hierbij aan een HP 10811 als treffend voorbeeld. Een 10MHz OCVCXO geeft een oscillator signaal dat prima gebruikt kan worden om diverse apparaten zoals een spectrum analyser en frequentieteller nauwkeurig te laten werken. De stabiliteit van deze oscillator is ongeveer 1*10^-9. Het is een bekend fenomeen dat de frequentie, door veroudering, iets verloopt in de tijd. Periodieke calibratie is daarmee nodig om de oscillator op de juiste frequentie te laten werken. Echter is het mogelijk om deze OCVCXO te koppelen aan een Waterstof atoomklok (in de ruimte) dat 10.000 keer (!) nauwkeuriger is. Ofwel 1*10^-13. Het fijne is, dit nauwkeurige signaal is nog "gratis" ook! Brooks Shera; W5OJM heeft dit genoemde systeem bedacht, getest en beschikbaar gesteld voor andere zendamateurs. De beknopte werking staat hieronder:

image is loading...


Het hart van de tijdstandaard is de OCVCXO van 10MHz. Deze oscillator is goed voor een korte termijn nauwkeurigheid. Het 10 MHz uitgangssignaal wordt doorgaans door twee en door tien gedeeld zodat er niet alleen een 10 MHz, maar ook een 5MHz en 1MHz oscillator signaal beschikbaar is als referentie oscillatie van aan te sluiten meetapparaten. Dit signaal wordt doorgaans versterkt zodat het signaal sterk genoeg is om meerdere apparaten van een oscillator signaal te voorzien. Zoals opgemerkt veroudert een kristal waardoor de frequentie iets verloopt. Dit kan met een stelschroef periodiek worden aangepast. Dit kan echter ook elektronisch door midden van een gelijkspanning signaal. (In het geval van een HP 10811 een -5...+5 VDC spanning.) Brooks Shera heeft bedacht dat het handig is om het nauwkeurige (1*10^-13) één puls per seconde signaal van een GPS ontvanger (en dus Waterstof atoomklok) te gebruiken voor de lange termijn stabiliteit van de oscillator. Er is een schakeling gemaakt dat van een GPS ontvanger de 1PPS puls ontvangt én het 10MHz signaal van de OCVCXO. Als (op lange termijn) het 10 MHz signaal overeen komt met het 1PPS signaal, betekent dat de 10 MHz oscillator gelijk loopt met de Waterstof atoomklok in de ruimte. Als er echter gemiddeld meer dan 10.000.000 trillingen in de ene seconde puls passen, loopt de 10 MHz oscillator te snel en wanneer er minder dan 10.000.000 trillingen in de ene seconde passen loopt de 10 MHz oscillator te langzaam. De chip in de schakeling vergelijkt de signalen en stuurt de OCVCXO met een gelijkspanning aan zodat de OCVCXO sneller of langzamer gaat lopen totdat deze weer gelijk loopt met de één seconde puls. De regeling is redelijk traag en dat heeft een goede reden. De oscillator heeft een prima korte termijn stabiliteit, dus een snelle regeling is niet nodig. Feitelijk is de regeling alleen om de veroudering van de oscillator te compenseren. Aannemelijk is dus dat bij het koud opstarten van de oscillator het 48 uur kan duren voordat de maximale precisie is bereikt. Verstandig is het dan ook om de frequentiestandaard permanent aan te laten om de hoogste nauwkeurigheid te behalen.

(Inmiddels overleden) Brooks Shera; W5OJM heeft de schakeling uitgebreid toegelicht in QST Magazine van juli 1998. Zijn systeem is gebaseerd op het faseverschil tussen het 1 pps en 10 MHz signaal. (Met PLL principe.) Bertrand Zauhar; VE2ZAZ heeft tien jaar later een vereenvoudigde versie gepresenteerd in QEX Magazine. Het resultaat is nagenoeg gelijk, maar de benadering is anders. In de versie van Bertrand worden de oscillaties over 16 seconden gemeten en op basis van de telling wordt de OCVCXO bijgeregeld. Het resultaat is dat de schakeling eenvoudiger is, er minder chips nodig zijn en qua ontwerp tien jaar vooruit is. Dit laatste ontwerp is dus geen Phase Locked Loop (PLL) maar een Frequency Loced Loop (FLL).

De 10, 5 en 1 MHz signalen kunnen vervolgens gebruikt worden om de meetapparatuur te voeden zodat deze maximaal haalbare precisie behalen voor een relatief laag bedrag.

Nederlandse tijdstandaard volgens VE2ZAZ permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=158&id=#696
Van een bevriende experimetneel radio-onderzoeker heb ik een tijdstandaard overkunnen nemen. Deze is uitgerust met de schakeling van Brooks Shera. Deze opstelling heeft jarenlang dienst gedaan als tijdstandaard voor het betreffende lab. Echter toen de GPS ontvanger kapot ging, is de GPS ontvanger niet vervangen maar een Rubidium tijdstandaard aangeschafd. Hierdoor is de genoemde tijdstandaard met GPS ontvanger buiten gebruik geraakt en na een periode van opslag bij mij terecht gekomen. De print van VE2ZAZ met moeilijk(er) te vinden chips zat erbij omdat de upgrade naar het nieuwere ontwerp van VE2ZAZ gepland was, maar niet meer uitgevoerd. Bij het inspecteren van de tijdstandaard zoals deze op de werkbank is beland, zijn de plannen uitgebereid. De wens is ontstaan om op een 4x20 karakter display niet alleen de status van de tijdstandaard te zien, maar ook de tijd, datum en andere relevante (GPS) informatie. Aangezien het ontwerp flink op de schop moet, is ook besloten om de nieuwere beturing van Bertrand; VE2ZAZ toe te passen. De benodigde componenten zijn gehaald en als "yoga voor de ziel" is de print op een avond als ontspanning in elkaar gezet. Het resultaat is hieronder te zien.

image is loading...


De ontwikkeling van de voorgenomen tijdstandaard gaan op de achtergrond verder. Tot nu toe is er nog geen relevant nieuws over te melden.

open de afdrukbare pagina door hier te klikken


AmateurTele.com - © 1984...2020 - Build: 20190816