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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Was sagt die Frequenzstabilität beim Oszillator aus?


Autor: sn (Gast)
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Hallo,

in Datenblätter von Oszillatoren wird meistens die Frequenzstabilität in 
ppm angegeben, z.b. +/-100ppm Was sagt diese Zahl genau aus?

Danke

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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sn wrote:
> Hallo,
>
> in Datenblätter von Oszillatoren wird meistens die Frequenzstabilität in
> ppm angegeben, z.b. +/-100ppm Was sagt diese Zahl genau aus?

Du kennst Prozent? Prozent könnte man als pph bezeichnen:
parts per hundred
ppm bedeutet: parts per million
1ppm = Pro 1 Million kanns um 1 daneben liegen.

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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ppm heißt "part per million" und ist sowas wie 
Prozent.http://de.wikipedia.org/wiki/Parts_per_million

Üblicherweise wird z.B. die Frequenzänderung von Quarzen in ppm/°C 
angegeben.

Cheers
Detlef

Autor: sn (Gast)
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Ok danke.

>1ppm = Pro 1 Million kanns um 1 daneben liegen.
ist damit die 1 Periode gemeint? D.h. Bei 100ppm liegen 100 von 1Mio 
Perioden daneben?

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Was ist da so schwer dran.

Dein Quarz ist zb. mit 1 Mhz spezifiziert und hat +/- 100 ppm
D.h. er kann auch mit 999900 Hz schwingen oder mit 1000100 Hz
oder irgendwo dazwischen.
Also maximal 100 Hz über oder unter den spezifizierten 1Mhz.
Dies deshalb weil 100 Hz bezogen auf 1Mhz eben 100ppm sind.

Bei einem 10Mhz Quarz, wären 100ppm schon 1000Hz. D.h. der Quarz
kann sich im Bereich von 10000000 - 1000 = 9999000Hz bis
10000000 + 1000 = 10001000Hz bewegen.

Autor: sn (Gast)
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ok, danke.
habs gefressen.

Weitere Frage:
Wie versteht ihr folgende Anforderung:
"Distortion of the clock signal is permissible up
to a ratio of 30:70 at the threshold levels 0.9 V and 2.1 V."

Autor: Christian Erker (Gast)
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Genauso wies da steht .. das Tastverhältnis kann bis zu 30:70 betragen 
mit High-Schwelle bei 2,1 V und Low-Schwelle bei 0,9V .. ideal ist halt 
50:50.

Autor: NewHere84 (Gast)
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Karl H. schrieb:
> Was ist da so schwer dran.
>
> Dein Quarz ist zb. mit 1 Mhz spezifiziert und hat +/- 100 ppm
> D.h. er kann auch mit 999900 Hz schwingen oder mit 1000100 Hz
> oder irgendwo dazwischen.
> Also maximal 100 Hz über oder unter den spezifizierten 1Mhz.
> Dies deshalb weil 100 Hz bezogen auf 1Mhz eben 100ppm sind.
>
> Bei einem 10Mhz Quarz, wären 100ppm schon 1000Hz. D.h. der Quarz
> kann sich im Bereich von 10000000 - 1000 = 9999000Hz bis
> 10000000 + 1000 = 10001000Hz bewegen.

Ich haette auch noch eine Frage dazu...

Angenommen wir haben einen 1MHz Quarz mit +/- 100 ppm. Nun hat siche der 
Quarz z.B. auf 999900 Hz eingeschwungen und die Temperatur in dem Raum 
sei konstant.

Ist diese Frequenz dann fuer z.B. 1 Tag exakt die selbe oder varriert 
dann die Frequenz z.B. um +/- X ppm waehrrend der Betriebslaufzeit? Und 
wenn ja, um wieviel varriert sie dann waehrrend der Laufzeit von z.B. 
einem Tag? Und wie koennte man das messen?

Autor: Wolfgang (Gast)
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NewHere84 schrieb:
> Angenommen wir haben einen 1MHz Quarz mit +/- 100 ppm.

> Und wenn ja, um wieviel varriert sie dann waehrrend der Laufzeit von z.B.
> einem Tag?

Maximal um 100 ppm. Mehr geht aus deinen Angaben zum Quarz nicht hervor.

> Und wie koennte man das messen?

Durch Vergleich mit einer ausreichend genauen Zeitbasis, z.B. GPS

Autor: NewHere84 (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Maximal um 100 ppm. Mehr geht aus deinen Angaben zum Quarz nicht hervor.

Also bedeutet das, dass die Frequenz die ganze Zeit varriert, auch wenn 
die Raumtemperatur stabil ist?

Das heißt, das wenn z.B. nach dem Einschwingen der 1 MHz Quarz auf einer 
Frequenz von 999900 Hz schwingt, innerhalb paar Sekunden die 
Schwinungsfrequenz auf z.B. 999980 Hz wechselt und paar sekunden wieder 
z.B. auf 999900 Hz wechselt?

Autor: 6a66 (Gast)
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NewHere84 schrieb:
> Also bedeutet das, dass die Frequenz die ganze Zeit varriert, auch wenn
> die Raumtemperatur stabil ist?

Normal wird sie dann etwa dort bleiben.
Sie wird bei eingeschwungener Temeratur (Achtung: eine GENAU gleiche 
Temperatur wird es nicht geben da auch Konvektion herrscht und 
Beeinflussung durch den Treiber durch Leistungsabgabe an den Quarz, aber 
das vernachlässigen wir jetzt mal alles) in etwa stabil bleiben und nur 
gering schwanken. Wie stabil kann dir höchstens eine Jitterangabe im 
Datenblatt nennen und wie die spezifiziert ist, ansonsten nur die 
Glaskugel.
Die 100ppm beinhalten Fertigungsgenauigkeit, Temperaturgang und Jitter 
(also die momentane Änderung).
Lanzeitstabilität kommt noch hinzu (Aging) und auch Abweichung durch 
Fehlanpassung durch falsche Kondensatoren

Autor: X-Gast (Gast)
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Man merkt schon, "100ppm" ohne zeitliche Angabe hat wenig Aussage.

Wichtig ist bei Stabilitätsangaben der Betrachtungszeitraum. Die 
Stabilität beschreibt die internen Prozesse im Quarz(-oszillator). Dabei 
werden sehr kurzzeitige Frequenzänderungen(/Phasenänderungen) als 
Phasenrauschen beschrieben, dem äquivalent ist die Angabe des 
Jitters(Integral des Phasenrauschens). Für die Betrachtung von Kurz- und 
Langzeitstabilität dient das Sigma-Tau-Diagramm eines Oszillators. Darin 
werden jedem Betrachtungszeitraum(Tau) eine Abweichung(Sigma) 
zugeordnet.

Für tiefgründigere Beschäftigung mit dem Thema empfehle ich den Artikel 
von Ulrich Bangert: http://www.bartelsos.de/index.php?dl_file=77498ICTFZ

Auf dieser seite ganz unten sind Beispiele für einen Phasenrausch- und 
Stabilitäts-Plot:
http://www.darc.de/distrikte/h/24/projekte-und-sel...

Bei diesem Projekt wurde ein geheizter Quarzoszillator an das GPS-System 
angebunden um die Langzeitstabilität(>30s) zu erhöhen. Das 
Phasenrauschen und die Kurzzeitstabilität wird dabei von der Qualität 
des Quarzoszillators bestimmt, die Langzeitstabilität dabei vom 
GPS-Normal(Cäsium).

Autor: NewHere84 (Gast)
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Super vielen Dank! Habt mir soweit schon mal sehr geholfen!

Autor: m.n. (Gast)
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NewHere84 schrieb:
> Angenommen wir haben einen 1MHz Quarz mit +/- 100 ppm. Nun hat siche der
> Quarz z.B. auf 999900 Hz eingeschwungen und die Temperatur in dem Raum
> sei konstant.
>
> Ist diese Frequenz dann fuer z.B. 1 Tag exakt die selbe oder varriert
> dann die Frequenz z.B. um +/- X ppm waehrrend der Betriebslaufzeit? Und
> wenn ja, um wieviel varriert sie dann waehrrend der Laufzeit von z.B.
> einem Tag? Und wie koennte man das messen?

Wenn die Temperatur konstant bleibt, hast Du morgens eine Frequenz von 
999900 Hz und abends 999900 Hz. Dazwischen beträgt die Frequenz 999900 
Hz.
Messen kann man die Änderungen mit einem Frequenzmeßgerät 
(Frequenzzähler), welches eine höhere Genauigkeit und Auflösung hat als 
die zu untersuchende Frequenz. Ein einfaches Beispiel: 
Beitrag "reziproker Frequenzzähler, GPS-stabilisiert, ATmega162"
Sag mal besser, wofür Du eine Antwort brauchst.

Autor: X-Gast (Gast)
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m.n. schrieb:
> Wenn die Temperatur konstant bleibt, hast Du morgens eine Frequenz von
> 999900 Hz und abends 999900 Hz. Dazwischen beträgt die Frequenz 999900
> Hz.

Eben nicht. Es gibt auch andere Prozesse in einem Quarzoszillator, die 
die Frequenz verändern lassen. Neben Rauschprozessen auch Alterung etc.

Autor: m.n. (Gast)
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Es geht im Beispiel um Änderungen >= 1 ppm, und wir reden hier von einem 
Quarzoszillator, denke ich, und nicht von einem keramischen Resonator 
oder RC-Oszillator.

X-Gast schrieb:
> Es gibt auch andere Prozesse in einem Quarzoszillator,

Die mußt Du aber im ppb-Bereich suchen.

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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sn schrieb:
> in Datenblätter von Oszillatoren wird meistens die Frequenzstabilität
> in ppm angegeben, z.b. +/-100ppm

Und schon falsch. Das ist nicht die Frequenzstabilität. Dieser Wert 
enthält alle Abweichungen der Frequenz vom Nennwert. Als da wären:

1. initiale Fertigungstoleranz
2. thermische Drift über den erlaubten Arbeitstemperaturbereich
3. zeitliche Drift (Alterung)
4. sonstiges, z.B. Abhängigkeit von der Betriebsspannung

Wenn du also einen solchen Oszillator in Betrieb nimmst, dann garantiert 
dir der Hersteller, daß er eine Frequenz liefert, die nicht mehr als 
+/-100 Millionstel vom Nennwert abweicht.

Wie stabil er dann diese Frequenz über Temperatur, Zeit und sonstiges 
einhält, geht aus dieser Angabe von +/-100ppm nicht hervor.

Autor: Georg (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Wie stabil er dann diese Frequenz über Temperatur, Zeit und sonstiges
> einhält, geht aus dieser Angabe von +/-100ppm nicht hervor.

Eine halbwegs anständige Datenblattangabe sieht so aus:
Internal reference oscillator
Stability                   ESG-A and ESG-D           ESG-A and ESG-D
                            series standard           Option 1E5         
Aging rate                  < ±1 ppm/yr               < ±0.1 ppm/yr or 
                                                      < ±0.0005 ppm/day
                                                       after 45 days    
Temp.  (0 to 55° C)         < ±1 ppm, typical         < ±0.05 ppm, typical 
Line voltage                < ±0.1 ppm, typical       < ±0.002 ppm, typical   
                            (+5%, –10%)               (+5%, –10%)

Was man braucht hängt von der Aufgabe ab, z.B. sind Atomuhren sehr 
langzeitstabil, aber nicht kurzzeitstabil, bei Quarzoszillatoren ist es 
umgegekehrt. Daher werden oft Quarzoszillatoren benutzt, die von einer 
Atomuhr nachgestellt werden.

Georg

Autor: NewHere84 (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Wie stabil er dann diese Frequenz über Temperatur, Zeit und sonstiges
> einhält, geht aus dieser Angabe von +/-100ppm nicht hervor.


Das ist genau DAS was ich hoeren wollte!!!! Dankeschoen

Autor: NewHere84 (Gast)
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Habt ihr eventuell irgendwelche Referenzen zu genau dieser Kurzzeit 
stabilitaet?

Autor: 6a66 (Gast)
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Axel S. schrieb:
> Und schon falsch. Das ist nicht die Frequenzstabilität. Dieser Wert
> enthält alle Abweichungen der Frequenz vom Nennwert. Als da wären:
>
> 1. initiale Fertigungstoleranz
> 2. thermische Drift über den erlaubten Arbeitstemperaturbereich
> 3. zeitliche Drift (Alterung)

Hallo Axel,

das kenn ich anders. Die Aging Drift kommt nach meinem Wissen on TOP!
Die Angabe des Herstellers zur Toleranz ist nur für das fabrikneue 
Bauteil.

rgds

Autor: Hans-Georg Lehnard (h-g-l)
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http://www.rainers-elektronikpage.de/Grundlagen-de...

und dann unten das Quarzkochbuch legal herunterladen.

Autor: Arno H. (arno_h)
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Das kann man auch direkt beim Autor unter 
http://www.axtal.com/Deutsch/TechnInfo/Quarzkochbuch/
Dort gibt es neben weiteren Beiträgen von Bernd Neubig und AN von Axtal 
auch das Tutorial von John R. Vig (unter Sonstiges).

Arno

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Angehängte Dateien:

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Qs sind nen weites Gebiet, neulich wider Erwarten diesbezüglich was 
dazugelernt: 'activity dips', da fallen dann beim Satelliten die PLLs 
ausser Tritt, sehr interessant. Die Stabilität von Oszillatoren 
charakterisiert man mit det Allan Varianz: 
https://en.wikipedia.org/wiki/Allan_variance . Anbei auch noch eine 
interessante appnote aus meiner Sammlung.

Cheers
Detlef

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