Hoe bereken ik de frequentie stabiliteit in ppm?

Voor kristal oscillatoren en alle andere manieren van frequentie opwekking (DDS & PLL) gebruikt men de uitdrukking part per miljoen.

Wat is de waarde van een gemiddelde kristal oscillator voor HF?
En hoe bereken je de stabiliteit van een oscillator.

"tijd is relatief"

Meeste zie je 20 en 30ppm, maar 5...50ppm zie je ook regelmatig.
Met een PLL krijg je natuurlijk nog andere zaken, zoals jitter...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Wat ik zelf dacht;

afwijking in Hertz gedeeld door de frequentie in Hertz.
Dit vermenigvuldigen met 1e6.

"tijd is relatief"

Je hebt het in de startpost over de stabiliteit, en nu over de afwijking. Dat zijn twee verschillende zaken...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Wat ik bedoel beste Arco, is wanneer een oscillator ingesteld is op een bepaalde frequentie en daarna omhoog of naar beneden verloopt in frequentie.
Dus een zekere afwijking heeft ten opzichte van de ingestelde frequentie.
Ik zie dat als frequentie stabiliteit, of moet ik dat anders beredeneren.

"tijd is relatief"

Met afwijking bedoelt men normaliter de frequentieafwijking wat een nieuw kristal al heeft.
Met stabiliteit de verschillen die met temperatuurveranderingen en aging van het kristal optreden.

Die 50ppm wordt over het max temperatuurbereik van het kristal genomen, meestal is het verschil bijv. tussen 5 en 35 graden veel kleiner.

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Je kunt niet alle (mogelijke) afwijkingen die een praktische oscillator kan hebben in een getal vangen.

De stabiliteit in datasheets is vaak enkel een maat voor de frequentieafwijking bij aflevering. 10ppm is dan inderdaad 10Hz op elke MHz, dus als een 25MHz kristal 25.000.250Hz produceert zit deze er inderdaad 10ppm naast

Maar een kristal heeft ook jitter en wander. Jitter is variatie van de frequentie (of eigenlijk: periode) op korte termijn (dus van flank op flank), en wander is op de langere termijn (>sec). Jitter en wander gaan heen en weer, als je een langere tijd meet middelt het uit.

Dat veranderen van de jitter kan ook weer op een bepaalde frequentie vallen; m.a.w de frequentie van de variatie in frequentie.

Vooral bij PLL's in bijv. microcontrollers kan de jitter groot zijn: +/- 0.25% afwijking is heel normaal... (da's 5000ppm!)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Ha Martin V,

Wat bedoel je nu precies :? in je vraag geef je het antwoord ook.

De variatie in Hz = F x PPM / 106

Dus een oscillator van 100 MHz en een frequentie stabiliteit van 10 PPM heeft een frequentie afwijking van 1000 Hz minimale frequentie 99999000 Hz maximale frequentie 100001000 Hz

Maar zoals ik je vraag leest geef je in het tweede deel het antwoord zelf, @blurp heeft een punt alleen die draait het om :D
Het is juist zo dat de frequentie stabiliteit een verhouding is die opgebouwd is uit verschillende effecten !
Zoals temperatuur mechanische stress variatie van de voeding enz enz.....
Wel kan je onderscheid maken in drie termen short, medium, long.
De definitie van deze termen zijn enigszins rekbaar hoewel het bureau voor de standaarden er wel een expliciete definitie over heeft !

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Bedankt allen voor de antwoorden en toelichting tot zover.
Wat ik bedoelde, of wat voor mij van belang is bij een vaste voedingspanning en zonder mechanische belastingen, jitter en dan soort zaken daar hou ik geen rekening mee.
Ook bij dezelfde omgeving temperatuur, hier merk ik veel verschil, maar dit even buiten beschouwing gelaten.

Ik heb een frequentie stabiele VFO gemaakt waarvan de afwijking ongeveer 100Hz, of minder, in een uur is, dit wilde ik eens met de opgegeven waarde van een kristal oscillator vergelijken.
Nu is een kristal oscillator natuurlijk veel stabieler als een vrijlopende oscillator, dus die vergelijking gaat hier niet helemaal op, maar toch geeft dit een bepaalde indruk.

"tijd is relatief"

Ha Martin V,

Dat zeg mij niet zoveel 100 Hz kan goed zijn maar ook slecht dat ligt aan je center frequentie.
Een drift van 100 Hz op 100 MHz weegt minder zwaar dan dezelfde 100 Hz op 1 MHz !

Ik heb toevallig een kristal tester in elkaar gezet voor een testje daar gebruik ik een blokje van Fox 1 V voedingsspanning 50 MHz die heeft 20 PPM niets bijzonders dus dit is 1000 Hz frequentie stabiliteit.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo Henk,

De frequentie van die VFO loopt van 20 tot 27MHz, ik meet op 27MHz daar is de stabiliteit een klein stukje minder goed als op 20MHz.
De VFO verloopt na een paar uur ingeschakeld te zijn 100Hz naar boven of naar beneden.
Dan komt die weer terug op de ingeschakelde frequentie, het verloop is dan eigenlijk nul.
Maar daarna loopt het weer omhoog of juist omlaag in frequentie.
Met stapjes van een paar honderd Hertz of soms ook wel minder.
Eigenlijk blijft het op en neer gaan rond één frequentie, binnen een tijd van ongeveer 15 minuten.
Wanneer ik zeg dat het verloop 100Hz in een uur is, is dat eigenlijk meer, de frequentie is dan al een paar keer omhoog of naar beneden gegaan om uiteindelijk weer terug te komen op de ingestelde frequentie.
Het verloop zou dan eigenlijk nul Hertz moeten zijn wat niet juist is.

"tijd is relatief"

Ha Martin V,

Dat is lastig om iets zinvols te zeggen zonder het slachtoffer hier op de tafel te hebben ;)
Ik kan eigenlijk alleen maar een paar check punten aangeven naar mijn ervaring ik heb die oscillator ( serie Colpitts ) nog steeds aanstaan de teller neemt om het uur een sample en schrijft deze weg.
Maar ik heb al in geen week of 3...4 gekeken |:(
Toch durf ik zo maar te zeggen dat de drift binnen 50 Hz omhoog dan wel omlaag is, dit omdat ik de eerste week wel elke dag mee keek en als er na 2 weken geen sprongen zichtbaar zijn gebeurt er verder niets.....

Voor een V.F.O. is 20 tot 27 MHz al best een hoge frequentie dus goed opletten !
Een aantal punten; beter dan 30 Hz plus of min kom je niet zonder vergrendeling aan een kristal.
Welk actief element gebruik je ? voor de stabiliteit is een J-F.E.T. het beste ook iets gunstiger dan een M.O.S.- F.E.T. maar een stuk gunstiger dan een B.J.T.
Maar met enige nuance lezen jij begrijp ook wel als je een P.L.L. systeem gebruikt ligt het accent ergens anders.....

Dan de behuizing ik heb mijn printje in een thermisch doosje zitten dat is isolatie bekleed met aluminium ( kingsplan )
dat scheelt een slok op een borrel :D zonder isolatie kan je geen experiment doen !
Het gaat niet zozeer om de temperatuur maar er mag geen luchtstroming langs de componenten heen gaan !
Een enkelzijdige print gebruiken voor het oscillator gedeelte en met een redelijk afstand boven de grond plaat van de behuizing monteren.
Ook vrij blijven van de wanden met @rob007 zijn filters nog al eens op gewezen.

De afstemming dat doe jij al met een varactor misschien nog een linearizer gebruiken een en ander is afhankelijk hoe je frequentie uitlezing is.
De condensatoren N.P.0. die gebruik je al, de spoel op een kunststof lichaam en vast zetten.
Nu kan je met de spoel een temperatuur coëfficiënt van 0 bereiken door de juiste lengte en diameter te kiezen :D

Dan de temperatuur compensatie zonder compensatie krijg je de V.F.O. nooit goed dat heb ik er dus wel in zitten, overigens geldt dit ook voor de lange tijd stabiliteit van een kristal oscillator dus ook bij @rob007 zijn kristal oscillator zit bij mij twee keer een N.T.C. 8 weerstanden en een P.T.C als compensatienetwerk je zal een aantal breekpunten moeten maken of simpel je kiest voor een oven.....

Heel belangrijk de voeding..... je V.F.O. altijd op een aparte voeding laten draaien in de Apple 12 zitten 8 voedingen allemaal klein soms L.D.O.'s van maar 50 mA die leveren dan 5 mA dit is niet voor niets !
Een 78xx regelt binnen 100 mV om budget te creëren ( je kunt niet alle ruimte aan je voeding opmaken ) moet dit een factor 10 beter.
Gebruik een ruime regelaar maar neem maar een kleine stroom af at scheelt warmte het stabilisatie gedeelte goed filteren en in het oscillator huisje bouwen afschermen van de buiten wereld !
Ik gebruik een actief filter om de voeding schoon te houden en bij mij vraagt de oscillator 12 mA.

Kijk eens of je iets tegen kom wat je kan verbeteren !

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hartelijk bedankt voor de uitgebreide reactie.
Ik heb nu niet zoveel tijd, moet strakjes weg.
Maar ik laat dit even op mij inwerken en ik denk dat ik hier een apart topic over aanmaak, dat zie je tegen die tijd wel.

"tijd is relatief"

Vandaag heb ik meer tijd als gisteren, dus ik reageer even op je verhaal Henk.

Ik ben een tijd bezig geweest aan de serie Colpitts oscillator, ik kreeg het redelijk stabiel, maar toch bleef de frequentie op en neer gaan, het bleef gewoon niet stil staan.
Nu inmiddels weet ik, of denk ik waar dat aan lag en dat waren de condensatoren van de kring.
Tenminste ik ga daar een beetje van uit, ik weet niet waar het anders aan zou kunnen liggen.
Ik ben er niet verder mee gegaan, na drie dagen zoeken en experimenteren had ik er wel genoeg van; ik was dus niet geheel tevreden over de frequentie stabiliteit.
Wat ik wilde was gewoon een stabiele uitlezing op de counter welke soms verspringt maar niet iedere seconde.
Niet drie dagen ben ik hiermee bezig geweest, maar maandenlang, ik denk vanaf begin juni of zo iets.

Ik had een goed idee over een andere type oscillator, welke ik probeerde en wonderbaarlijk genoeg heel stabiel was.
Tevens zitten er een stuk minder componenten in, eigenlijk minder componenten welke de frequentie kunnen beïnvloeden en hoe minder er daarvan zijn des te beter.
Als transistor gebruikte ik nog steeds de BF961 dual-gate Mosfet.

Ik heb vandaag even een "gewone" BJT transistor geprobeerd; de BFR91 en ik ben van menig dat de frequentie stabiliteit ook met een BFR91 goed moet zijn te krijgen.
Daarvoor heb ik de oscillator opnieuw opgebouwd op een printplaat.
Ik monteer niets zwevend boven het massa vlak, ik frees baantjes, eilanden op de print met een soort van Dremel.
De frequentie teller staat nu dus eindelijk stil en blijft niet omhoog en weer naar beneden verlopen.
Dus eigenlijk heb ik nu iets beters als de serie Colpitts oscillator.
Daarvan geef ik niet de schuld aan het type oscillator, die zal best wel goed zijn, maar eerder aan de door mij gebruikte condensatoren.
Het schoot mij nog te binnen dat ik ook nog mica condensatoren heb, van 150pF, dom dat ik dat niet geprobeerd heb.

Het bijzondere van deze oscillator is dat zoals ik die heb gemaakt nooit ergens anders heb gezien.
Heb ik iets nieuws gemaakt wat er nog niet was?
Moeilijk om daar achter te kunnen komen.

Nog een belangrijk punt is dat ik de varicap niet meer gebruik, voorlopig even.
Dit om uit te sluiten dat een frequentie afwijking of een niet stabiele frequentie het gevolg is van die varicap.
Voorlopig gebruik ik gewoon 70 of 100pF plastic folie trimmers om de frequentie in te stellen.

Voor de spanningsregelaar gebruik ik een 7805, welk type is beter, ik weet niet welke alternatieven er zijn.

Henk je zou mij eens moeten uitleggen wat je precies bedoeld met een NTC en PTC weerstand in de oscillator, is dat om het verloop in omgeving temperatuur te regelen.
Bedoel je soms dat er een interne verwarming in het kastje zit en alles netjes op de juiste temperatuur houd?

Intussen heb ik al weer een hele stap genomen.
Ik ben bezig aan die oscillator met de BFR91, de spoel heb ik vervangen door ééntje met een grotere diameter op een vorm van keramiek heb ik met dik koperdraad 1,6mm de spoel gewikkeld.
En dat scheelt een heleboel de drift is nu stukken minder nog.

De folie trimmer condensatoren heb ik vervangen door keramische instelbare afstemmers (duur spul).
De oscillator frequentieband heb ik daarna veranderd naar de FM omroepband.
De oscillator was afstembaar tussen 80 en 127MHz.
Op 86MHz heb ik de oscillator een tijdlang geobserveerd hoe de frequentie drift was.
De freq. ging van 86,115.2 naar 86,115.5 MHz een verschil van maar 300Hz!
De stabiliteit bleek ook op deze hogere frequenties boven verwachting erg goed.
De oscillator staat nu al uren aan en de frequentie blijft hetzelfde; 86,115 MHz.

"tijd is relatief"

Ha Martin V,

Goed bezig eerst even je conclusie met betrekking tot de condensatoren, daar kan ik weinig over zeggen op afstand.
Wat je beschrijft denk ik eerder aan een ongewenste koppeling of aan de bias !
De ongewenste koppeling kan op diverse manieren tot stand komen via magnetische straling foucaultstromen (Eddy currents ) die opgebouwd worden,
en een soort van ongewenste amplitude modulatie veroorzaakt hierdoor ontstaat A.M. naar P.M. conversie !
Zoals je weet moet een oscillator aan de algemene stelling van Barkhausen voldoen het stabiliteit criterium waarin voor de lus versterking geldt ( β x A = 1 ) ,
als dit om welke reden dan ook verstoort wordt is de oscillator instabiel !

Aan de andere kant kan het ook de dimensionering van de capacitieve deler zijn waardoor de bias niet voldoende of te veel wordt je krijgt dan een soort motorboot effect....
In de stelling van Barkhausen is hij uitgegaan van een lineair systeem dit is naar mijn mening geen juiste aanname immers,
al onze actieve componenten zijn in meer of mindere maten niet lineair :S toch kunnen we oscillatoren bouwen.

Leuk te horen dat je het niet in de hoek heb gelegd, dat is de juiste geest van een onderzoeker :D
Zoals ik al schreef een M.O.S.-F.E.T. is een goede keuze het verschil tussen een J-F.E.T. en boven genoemde zit hem in de sturing,
bij de J-F.E.T. is dit een P.N. diode overgang en bij de M.O.S.-F.E.T. is het een capacitieve overgang beide hebben een andere invloed op de oscillator....

Dat in jou ontwerp het beste resultaat bereikt wordt met een B.J.T. is goed mogelijk tenslotte zijn er plenty oscillators met een B.J.T. ;)
Ik vindt persoonlijk dat je de juiste aanpak bezigt als een schakeling totaal niet naar verwachting werkt,
opnieuw beginnen en niet allerlei zaken er bij plakken dat wordt al snel onoverzichtelijk en is heel vaak niet te reproduceren.
Hoe vaak hoer je niet maar in mijn proefschakeling werkte het wel |:(

Tijdelijk is een trimmer geen punt denk ik,
let wel als het gaat om de mechanische stabiliteit is een varactor vele malen stabieler dan een mechanische condensator sla maar een keer op de tafel !
Maar elke munt heeft twee kanten de temperatuur stabiliteit is van een eiersnijder veel beter.
Dat is dan ook wat ik bedoel met de temperatuur compensatie je kunt niet alles in een oven zetten maar je zult moeten compenseren ook met een kristal !

Ik heb in het verleden een zend / ontvanger ontworpen waarbij ik gebruik maakte van een combinatie in de V.F.O. ,
deze was opgebouwd met een variabele lucht condensator maar voor de padder een,
varactor gebruikt deze is los gekoppeld heeft als zodanig maar een kleine invloed op de resonantie.
Als je aan de knop draaide kon je snel afstemmen en wachtte je een fractie dan werd de resonantie frequentie aan de 10 Hz kamgenerator vergrendeld.

De voedingspanning is heel belangrijk bij een variabele condensator, maar ook bij een kristal oscillator, en uiteraard bij een varactor.
Bij de eerste twee veranderd er niet veel aan de componenten die de resonantie bepalen maar.....
de versterking veranderd wel hierdoor wordt het maximum verschoven, simpel weg de voorwaarde β x A = 1 komt op een ander punt te liggen.
Ik gebruik bijna altijd een capacitieve vermenigvuldiger dit is een simpele schakeling en werkt als filter / buffer altijd prima,
als je de mogelijkheid heb om bijvoorbeeld met 24 V te beginnen voor de rest van de schakeling dan kan je een 7812 er achter schakelen.
Dus eerst de 7824 voor de rest, daar achter de 7812 je bent dan tweekeer stabieler en de onderdrukking wordt ook twee keer groter.

De compensatie dat is best lastig niet de techniek ik had voor de @rob007 kristal oscillator spullen besteld,
maar bij drie verschillende firma's het wordt niet zo veel meer gebruikt dat wil zeggen in de besturingstechniek wel bij de sensors.
Het behoorlijk wat reken werk niet dat het zo ingewikkeld is maar de termen zijn nogal lang !
Je zal eerst van het component of deelschakeling welke je wil compenseren het tc moeten vaststellen / opmeten.
Dus binnen je temperatuur range de temperatuur veranderen in stappen en dan de parameter waar het om gaat meten.

Hoe ik dit doe, ik meet bijvoorbeeld van de varactor de invloed ( gevoeligheid ) op de resonantie frequentie.
Deze wil ik vastleggen in een grafiek om later om te zetten naar een formule zodat ik er mee kan rekenen.
Je meet je de varactor capaciteit elke temperatuur stap en noteer de capaciteit.
Op deze manier krijg je van elk meetpunt een X,Y coördinaat op je template in Excel.
De volgende stap is een grafiek tekenen en dan met een wiskundige bewerking ( best fitting curve ) kom je op een formule,
je heb dus van een fysiek component een wiskundig model gemaakt,
als je niet zo ver wilt gaan kan je ook de datasheet scannen en digitaliseren naar een curve de rest is het zelfde....

Ik weet dat het heel belangrijk is om de spoel goed te fixeren de industriële kwaliteit spoelen werden op het lichaam mee gebakken !
Mooi resultaat op die frequentie is 300 Hz goed te noemen :D voor een eerste prototype.
Wat ik wel ( meestal ) doe is er nog een stuk of twee bouwen i.v.m. de reproduceerbaarheid.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.