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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Dieser Teil von IEC 62884 beschreibt die Prüfverfahren zur Messung und Bewertung der Kurzzeit-Frequenzstabilität piezoelektrischer, dielektrischer und elektrostatischer Oszillatoren. Es ist dazu gedacht, die Prüf- und Bewertungsverfahren für die Kurzzeit-Frequenzstabilität zu vereinheitlichen. Die Prüf- und Messverfahren bei der Messung der Kurzzeit-Frequenzstabilität müssen nach der entsprechenden Bauartspezifikation durchgeführt werden. Wenn sich aus irgendwelchen Gründen Widersprüche ergeben, so müssen die Dokumente in der Rangfolge Bauartspezifikation, Rahmenspezifikation, Fachgrundspezifikation, andere internationale Dokumente (zum Beispiel von IEC), auf die Bezug genommen wird, gelten. Die gleiche Rangfolge muss auch für entsprechende nationale Dokumente gelten. Grundsätzlich werden Messungen der Stabilität im Zeitbereich mit einer Referenz-Quelle durchgeführt, die eine viel größere Stabilität als das zu prüfende Bauteil hat. Üblicherweise werden jedoch Vergleiche zwischen zwei Oszillatoren ähnlicher Bauart durchgeführt und es wird üblicherweise angenommen, dass die Wahrscheinlichkeitsdichten und Verteilungsfunktionen der Prozesse des Zufallsrauschens beider Oszillatoren nahezu gleich sind. Weil die Rauschprozesse auf Potenzbasis miteinander verbunden sind, müssen die Frequenzschwankungen zwischen zwei ähnlichen Oszillatoren durch Quadratwurzel 2 geteilt werden, um einen Schätzwert der Schwankung, der einem Oszillator allein entspricht, zu erhalten. Dies ist in den abgeleiteten Gleichungen berücksichtigt. Im Fall von Verfahren von zwei Oszillatoren mit der genau gleichen Mittenfrequenz erzeugt der Phasenkomparator ein analoges Signal, das direkt proportional zu den Augenblicksphasenschwankungen zwischen den zwei Oszillatorsignalen ist (für Fourier-Frequenzen unter dem Cut-Off des Tiefpassfilters). Dieses Signal darf mit analogen Verfahren (wie einem kontinuierlichen Bandschreiber, Effektivwert-Voltmeter oder Spektrumanalysator) untersucht werden, oder kann mit Zeitbereichsverfahren unter Verwendung eines Abtastungs-A/D-Wandlers mit kontrollierter Messzeit untersucht werden, und die wiederholten Messungen werden zur Analyse von einem Computer gespeichert. Beim Verfahren der Frequenzoffset-Messung werden die beiden zu vergleichenden Oszillatoren üblicherweise so gefertigt, dass sie im Wesentlichen identisch sind, außer dass einer von ihnen auf eine geringfügig andere Frequenz eingestellt wird, üblicherweise irgendwo im Bereich von 100 Hz bis 10 kHz. Es wird angenommen, dass die geringe Differenz im Abgleich der Oszillatoren keinen maßgeblichen Einfluss auf die Rauscheigenschaften des Oszillators hat. Das Verfahren Zeitintervallzähler berücksichtigt, dass es bei Zeitintervallmessungen direkt bei der Oszillatorfrequenz häufig zum Phasenüberlauf kommt, daher wird bei diesem Messverfahren die Frequenz beider Oszillatoren auf eine sehr niedrige Frequenz, üblicherweise auf 1 Hz (1 pps), herunterdividiert. Bei einer Frequenzdifferenz von 1 × 10-6 verlängert sich die Phasenüberlaufzeit auf 5,8 Tage. Da beim Verfahren mit Frequenzzähler die Ableitung von Kurzzeit-Frequenzstabilitätswerten aus der Direktaufzeichnung einer Reihe von Frequenzmesswerten, die mit einem Frequenzzähler ermittelt wurden, mit systematischen Fehlern verbunden ist, kann dies zu schwerwiegend falschen Ergebnissen führen. Hauptgründe hierfür sind zum einen der Einfluss der beim Datenaufnahmeprozess auftretenden Zählertotzeit und - falls ferngesteuert - der Zeit für die Datenübertragung über die Rechnerschnittstelle. Der durch die Zähleraufnahmezeit eingebrachte Fehler kann durch die Einführung einer Korrekturfunktion berücksichtigt werden, die von Barnes abgeleitet und tabelliert wurde. Zum anderen der Einfluss der in modernen Frequenzzählern eingesetzten Interpolationsverfahren. Aufgrund dieser Verfahren sind die dargestellten Frequenzen bereits das Ergebnis einer statistisch gewichteten Mittelung. Dieses Verfahren darf daher nicht ohne Berücksichtigung möglicher zugrundeliegender systematischer Fehler angewandt werden. Beim Verfahren der über die Integration der Phasenrauschdaten berechneten Kurzzeitstabilität wird die Kurzzeitstabilität aus den Phasenrausch-Prüfdaten durch numerische Integration berechnet werden. Zuständig ist das DKE/K 642 "Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.

Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 642 - Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion