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»Disziplinierte« Quarzoszillatoren

Zeit- und Taktsignale mit höchster Präzision

Disziplinierte Oszillatoren mit hoher Empfindlichkeit und großer Genauigkeit
Disziplinierte Oszillatoren mit hoher Empfindlichkeit und großer Genauigkeit.
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Bürklin Elektronik hat den japanischen Hersteller Furuno mit seinem kompletten Satz an GNSS/GPS-Empfängermodulen seit 2014 im Sortiment. Zu dessen Portfolio gehören unter anderem sogenannte GNSS/GPS-disziplinierte Oszillatoren.

Es gibt technische Anwendungen und Prozesse, bei denen die Frequenzgenauigkeit üblicher Quarzoszillatoren nicht ausreicht. Dann kommen nur Schwingungserzeuger in Frage, deren Frequenz auf Normalfrequenzen bezogen sind; diese wiederum werden von Rubidium- oder Cäsium-Atomuhren geliefert. Aufgrund des hohen Aufwandes sind diese allerdings nur für Forschungs- oder Normungsinstitutionen wirtschaftlich.

Eine wesentlich preisgünstigere und trotzdem hochpräzise Alternative sind Oszillatoren, deren Frequenz mit den Zeitsignalen globaler Navigationssatelliten (Global Navigation Satellite System, GNSS) synchronisiert wird – beispielsweise die GNSS-disziplinierten Oszillatoren von Furuno/Bürklin.

Die maximale Frequenzabweichung von herkömmlichen Quarzoszillatoren liegt in einem Bereich von etwa 10-3 vom Sollwert (unkompensiert) bis 10-6 temperaturkompensiert (Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO). Mit einem sogenannten Quarzofen (Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO), in dem die Temperatur konstant über der Umgebungstemperatur gehalten wird, lassen sich maximal 10-9 erreichen.

Bei einer Nennfrequenz vom 1 GHz bedeutet dieser Wert eine maximale Abweichung von 1 Hz. Für viele Anwendungen, z. B. bei Konsumgeräten, ist das durchaus ausreichend. Es gibt allerdings auch Anwendungen, die eine noch höhere Genauigkeit und Präzision verlangen, z. B. Kernforschung oder Synchronisation großflächiger Infrastruktursysteme (Mobilfunk, terrestrisches Digital-TV). Hier werden auch hohe Anforderungen an die Kohärenz der Zeitsignale gestellt.

Eine maximale Frequenzabweichung bis in den Bereich von weniger als 10-12 indes werden von Atomuhren erreicht, deren Zeittakt aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome, z. B. Caesium oder Rubidium, abgeleitet wird. Solche Einrichtungen sind allerdings sehr teuer und sehr groß und werden deshalb nur von Forschungs- und Normungsinstituten betrieben.

Relevante Anbieter

Oszillatoren – mit GNSS-Signalen synchronisiert

Für technische Anwendungen, die Präzision in dieser Größenordnung erfordert, hat die Firma Furuno spezielle Oszillatormodule entwickelt, deren Frequenz sich auf die hochstabilen Zeitskalen der GNSS-Satelliten beziehen. Jeder GNSS-Satellit führt mehrere Atomuhren mit sich. Bei satellitengestützter Navigation werden die Laufzeiten der Signale mehrerer Satelliten gemessen, die an einem terrestrischen Standort eintreffen.

Je präziser diese Zeitsignale sind, umso genauer lassen sich daraus die Koordinaten des jeweiligen Standortes errechnen. Aus diesem Grund werden die Zeitsignale der Satellitensysteme von den Bodenstationen aus mit der Normalzeit von Atomuhren synchronisiert.

Heute gibt es mehrere satellitengestützte globale Navigationssysteme, z. B. GPS (USA), GLONASS (Russland), Galileo (Europa) sowie SBAS (Satellite Based Augmentation System – ein weltweites System von Satelliten, die das GPS-System ergänzen), sodass deren Signale überall auf der Welt zu empfangen sind.

Daneben existieren auch noch regionale Satelliten-Navigationssysteme – z. B. QZSS in Japan. Die GPSDO/GNSSDO-Module (GPS Disciplined Oscillator/Global Navigation Satellite System Disciplined Oscillator) von Furuno empfangen diese GPS/GNSS-Signale, um daraus hochpräzise Zeitimpulse (1 Impuls/s) zu erzeugen sowie die Referenzfrequenz ihrer integrierten Oszillatoren über eine PLL-Schaltung mit hoher Genauigkeit nachzuregeln. So werden also die Zeitpulse und die Oszillator-Referenzfrequenz mit der Atomuhr des GPS/GNSS-Systems synchronisiert.

Auf diese Weise erreichen diese kleinen Module die von Atomuhren vorgegebene Präzision mit wesentlich geringerem Kostenaufwand und Raumbedarf. Weil die Synchronisation mit GPS/GNSS-Signalen kontinuierlich erfolgt, müssen die Furuno-Oszillatormodule auch nicht regelmäßig kalibriert werden.


  1. Zeit- und Taktsignale mit höchster Präzision
  2. »Holdover-Funktion« überbrückt Signalausfälle

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