OCXO Zeitbasis

Neues Zeitbasis-Modul mit Quarzofen für Philips Frequenzzähler

Beim Messen mit meinem Philips Frequenzzähler PM6612 fielen mir immer wieder kleine Abweichungen auf. Dies ist bei der einfachen Quarzzeitbasis PM9677 kein Wunder - sie wurde von mir seit dem Kauf nie abgeglichen und unterliegt außerdem Schwankungen durch Temperaturveränderungen sowie Alterung des Quarzes. Philips bot für den Zähler damals noch andere Versionen der Zeitbasis an. Die Genauigkeit ließe sich mit einem temperaturkompensierten Quarzoszillator (TCXO) oder besser Quarzofen (OCXO) steigern. Hierbei werden die Abweichungen entweder anhand der Kennlinie elektronisch ausgeglichen oder, bei letzterem, der Quarz auf eine definierte Temperatur gebracht. Die originalen Philips OCXO-Zeitbasis-Module sind leider sehr begehrt und damit nur teuer oder schwierig zu beschaffen. Ich entschloss mich deshalb zum Selbstbau.

Das Herzstück der neuen Zeitbasis bildet ein Ovenized Crystal Oscillator (OCXO), wobei unterschiedliche Typen und Bauformen unterstützt werden. Mit etwas Glück findet sich ein geeigneter Quarzofen bei bekannten online Auktionshäusern oder chinesischen Surplus-Händlern. Es ist zwingend nötig, dass der OCXO über eine externe Spannung abstimmbar ist. Sollte die dazu nötige Referenzspannung nicht herausgeführt sein, kann eine externe Präzisions-Spannungsreferenz bestückt und genutzt werden.

Schaltungsbeschreibung

Der Frequenzzähler stellt intern zwei Spannungen zur Verfügung: Eine dauerhaft vorhandene, ungeregelte Gleichspannung zwischen 12 und 25V und eine geregelte 12V Spannung, die nur im eingeschalteten Zustand anliegt. Das originale OCXO Modul verwendet die ungeregelte Spannung zur dauerhaften Beheizung des Quarzofens auch im Stand-by. Um eine Aufheizzeit zu vermeiden, findet diese auch in meinem Aufbau Verwendung. Ein effizienter Step-down Schaltregler (IC1) erzeugt die nötigen 5V zum Betrieb des Quarzofens. Der vorgeschaltete LC-Tiefpass (C2, L1, C3) filtert elektromagnetische Störungen heraus. Dieser ist nach Herstellervorgaben dimensioniert. Die optionale Präzisions-Referenzspannungsquelle (IC2) vom Typ REF02BU kann bestückt werden, sofern der Quarzofen keine eigene Referenzspannung liefert. Sie besitzt eine geringe Temperaturdrift und ist zusätzlich durch einen Schlitz in der Platine thermisch entkoppelt. Die Betriebsspannung filtert hier ein RC-Tiefpass, bestehend aus R1 und C6. Die Auswahl der Referenz erfolgt über die Steckbrücke K2. Hierbei kann zwischen Betriebsspannung, interner Referenz, externer Referenz und der Beschaltung als Widerstand gewählt werden. Die Feineinstellung der Frequenz wird mittels des 25-Gang-Trimmerpotentiometer R2 vorgenommen. Platz für verschiedene Quarzöfen bieten die Footprints Q1 (36,1*27,2mm), Q2 (25,4*25,4mm) und Q3 (DIP14).

Auf der Rückseite befinden sich noch einige SMD Kondensatoren.

Auswahl geeigneter Quarzöfen

Die folgende Tabelle stellt eine Auswahl kompatibler OCXOs vor. Die Wellenform ist unerheblich, da der Eingangsteil im Frequenzzähler das Signal des Oszillators mittels Schmitt-Trigger ohnehin in ein Rechtecksignal umwandelt. In jedem Fall sollte vor dem Einbau unbekannter Quarzoszillatoren die Pinbelegung geprüft werden.

Auch Quarzöfen mit 12V Betriebsspannung sind möglich. Hierzu muss der Schaltregler sowie der vorgeschaltete Filter entsprechend Vermerk in der Stückliste angepasst werden. Die externe Referenzspannungsquelle kann wenn nötig gegen eine 10V Referenz (REF102BU) ausgetauscht werden.

Typ	Betriebsspannung	Wellenform	Footprint	Int. Referenz	Pos. Steckbrücke
CTS 970-2178-46	5 Volt	Sinus	Q1	ja	3-4
CTS 1960017	5 Volt	Sinus	Q1	ja	3-4
Abracon AOCJY4A	5 oder 12 Volt	je nach Modell	Q1	ja	3-4
NDK ENE3311B	5 Volt	Rechteck	Q2	nein	5-6
CTI OSC5A2B02	5 Volt	Rechteck	Q2	nein	5-6
Abracon AOCJY3A	5 oder 12 Volt	je nach Modell	Q2	ja	3-4
MC OCXOVT-BV5	5 Volt	Rechteck	Q3	nein	5-6
MC OCXOVT-BR1	5 Volt	Rechteck	Q3	nein	7-8

Einbau

Das Modul steckt auf der Hauptplatine des Zählers und kann nach dem Öffnen der unteren Gehäusehälfte mit wenigen Handgriffen montiert werden.

Abgleich

Um die Zeitbasis abzugleichen, wird ein Frequenznormal benötigt. Dies kann beispielsweise ein GPS Disciplined Oscillator (GPSDO) oder Rubidium-Oszillator sein. Ist das Modul bereits im Frequenzzähler eingebaut, so wird der Referenztakt einfach auf den Eingang des Zählers gelegt. Nachdem der Aufbau mehrere Stunden warmgelaufen ist, wird der Zähler zunächst mit der kürzesten Torzeit grob abgeglichen. Die Feineinstellung erfolgt nach Auswahl der längsten Zeitkonstante auf Anzeige von exakt 10 MHz.

Für einen Abgleich außerhalb des Frequenzzählers kann die Referenzfrequenz über die Buchse auf der Rückseite eingespeist werden. Die Auswahl der externen Zeitbasis erfolgt über den danebenliegenden Schalter. Das einzustellende Zeitbasis-Modul wird mit dem Eingang verbunden und wie gewohnt justiert.

Fazit

Mit meinem Modul lassen sich Philips Frequenzzähler wie PM6611, PM6612, PM6613, PM6614, PM6615 und PM6616 einfach und preiswert mit einer sehr genauen Referenz ausrüsten. Die meisten modernen OCXOs weisen eine exzellente Kurzzeitstabilität auf, und sollten vergleichbar oder sogar besser als der originale Quarzofen PM9690 sein.

Und nun viel Spaß beim Nachbau!

Download

Es sind noch einzelne Platinen und Bauteile aus der Entwicklung übrig. Bei Interesse einfach anschreiben.

Lizenz

Das von mir erstellte Platinenlayout darf für privaten Gebrauch frei verwendet werden, der Name des Autors muss darauf jedoch erhalten bleiben (CC BY-NC-SA).