Oszillatoren sind unverzichtbare Komponenten für zeitliche Synchronisationsmechanismen. Sie sind es, die den Lauf der Zeit markieren und die Qualität der Uhren in einem System ausmachen. Je genauer ein Oszillator ist, desto weniger wird die Uhr in der Zeit verrutschen. Es gibt jedoch nicht den einen Typ von Oszillator, der für alle Fälle ideal ist.
Die Wahl eines Oszillators ist ein Kompromiss zwischen Preis, Kapazität und Leistung. Ein wichtiges Auswahlkriterium ist die Stabilität. Diese wird als Funktion der Temperatur oder der Zeit in ppm (parts per million) ausgedrückt. Wenn ein Oszillator eine Nennfrequenz von 10MHz hat, entspricht eine Drift von 1 ppm einer Abweichung von plus oder minus 10Hz.
Es gibt vier Haupttypen von Oszillatoren: MEMS-Oszillatoren: Microelectromechanical Systems; TCXO: Temperature-Compensated Crystal Oscillator; OXCO: Oven-Controlled Crystal Oscillator und Rubidium-Oszillatoren.
MEMS-Oszillatoren
MEMS-Oszillatoren (MicroElectroMechanical System) sind die einfachsten und kostengünstigsten Oszillatoren. Ihr Funktionsprinzip beruht auf mikromechanischen Resonatoren, die meist aus Silizium bestehen. Diese Resonatoren schwingen mit einer bestimmten Frequenz, wenn sie elektrisch angeregt werden. Der Vorteil von MEMS-Oszillatoren ist ihre hohe Stoßfestigkeit und der Betrieb in einem breiten Temperaturbereich.
Die besten MEMS-Oszillatoren können daher in Umgebungen von -40 bis +150 °C betrieben werden. Sie sind klein, relativ robust und verbrauchen wenig Energie. Leider gehen all diese Vorteile mit einer geringeren Genauigkeit als bei anderen Oszillatoren und einer schlechteren Zeitstabilität einher. Das macht sie zu idealen Oszillatoren für tragbare, batteriebetriebene Geräte wie Sensoren oder IoT-Objekte, (Internet der Dinge).
TCXO-Oszillatoren
TCXO-Oszillatoren (Temperature-Compensated Crystal Oscillator) sind temperaturkompensierte Quarzoszillatoren. Sie nutzen die Schwingung eines Quarzkristalls, um eine Frequenz zu erzeugen, mit der man den Zeitablauf messen kann. Sie beheben die Schwächen herkömmlicher Quarzoszillatoren in Bezug auf Temperaturänderungen durch spezielle (analoge oder digitale) Schaltungen, welche die Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur ändern können. Dadurch können sie in einem Temperaturbereich von -40 bis +85 °C betrieben werden. Sie haben eine höhere Genauigkeit und Stabilität als MEMS-Oszillatoren, da ihre Frequenzstabilität zwischen 0,1 und 2 ppm/°C liegt. Diese hohe Stabilität eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen wie Telekommunikation, GPS-Empfänger oder industrielle Sensoren.
OCXO-Oszillatoren
OCXO-Oszillatoren (Oven Controlled Crystal Oscillator) sind hochpräzise und zeitlich sehr stabile Quarzoszillatoren. Die Idee dieser Oszillatoren besteht nicht darin, die Ausgangsfrequenz an die Temperatur anzupassen, wie dies bei TCXOs der Fall ist, sondern im Gegenteil, die Temperatur des Quarzkristalls zu kontrollieren, um die Frequenz zu gewährleisten.
Deshalb arbeiten sie in einem Miniaturofen, der den Kristall unabhängig von der Außentemperatur auf einer optimalen Temperatur von 70°-90°C hält.
Durch die Vermeidung von Temperaturschwankungen des Kristalls können OCXO-Oszillatoren eine Driftrate von nur 0,01 ppm/°C erreichen, was sie zu den genauesten Quarzoszillatoren macht. Darüber hinaus ist ihre Langzeitstabilität mit einer Drift von nur 0,1ppm pro Jahr hervorragend. Diese Oszillatoren nehmen in der Regel mehr Platz ein als MEMS- oder TCXO-Oszillatoren, obwohl es auch Miniatur-Versionen gibt. Sie sind außerdem teurer in der Herstellung und verbrauchen mehr Energie. Sie sind daher für Anwendungen zu bevorzugen, die vor allem eine hervorragende Stabilität erfordern und bei denen die Kosten eine untergeordnete Rolle spielen. Bei militärischen Anwendungen, die keine zu große Drift tolerieren können, wird diese Art von Oszillator häufig eingesetzt.
Rubidium-Oszillatoren
Rubidium-Oszillatoren sind die stabilsten kommerziellen Oszillatoren. Ihre Funktionsweise beruht nicht auf der Schwingung eines Kristalls, sondern auf der Atomresonanz von Rubidiumatomen.
Rubidium-Oszillatoren gehören daher zur Kategorie der Atomuhren, auch wenn sie weniger genau sind als Cäsiumuhren. Ihre Funktionsweise macht sie nahezu unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, weshalb ihre Driftrate nicht in ppm/°C, sondern in ppm/Tag angegeben wird. Sie liegt bei etwa 10^-11 bis 10^-12 ppm/Tag, was weit hinter der Leistung von Quarzoszillatoren und MEMS-Oszillatoren zurückbleibt. Eine solche Leistung wird mit wesentlich höheren Kosten und einer größeren Größe erreicht. Sie werden vor allem in Satelliten und Nanosatelliten oder in Anwendungen eingesetzt, die Ausfallsicherheit und Langzeitstabilität (mehrere Jahre) erfordern.
| Oszillator-Typ | Frequenzstabilität (ppm/°C) | Langfristige Stabilität |
|---|---|---|
| MEMS | 1 bis 50 ppm/°C | Einige ppm/ Jahr |
| TCXO | 0,1 bis 2 ppm/°C | ≈ 1 ppm/ Jahr |
| OCXO | ≤ 0,01 ppm/°C | ≈ 0,1 ppm/ Jahr |
| Rubidium | 10 |
≈ 0,001 ppm/ Jahr |
Übersichtstabelle mit den Eigenschaften der einzelnen Oszillator_Typen
Die Wahl zwischen den verschiedenen Oszillatoren hängt ganz natürlich von der beabsichtigten Endanwendung und den damit verbundenen Platz-/Stabilitäts-/Budgetbeschränkungen ab. Es gibt jedoch ständig technologische Durchbrüche in diesem Bereich, und es ist wichtig, die Entwicklung von Innovationen zu verfolgen. So gibt es beispielsweise seit kurzem temperaturkompensierte MEMS-Oszillatoren, die eine Stabilität erreichen, die nur von sehr hochwertigen Quarzoszillatoren übertroffen wird.
Mit mehr als 150 Jahren Erfahrung in der Zeiterfassung und einer Präsenz in mehr als 140 Ländern ist Bodet Time ein führender französischer Akteur auf dem Gebiet der Zeitsynchronisation und Zeitfrequenz. Unsere Zeitserver der Netsilon-Serie sind mit den Hochleistungsoszillatoren TCXO, OCXO und OCXO HQ ausgestattet.
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