STABILITÄT DER
SYSTEMUHR

Dipl.-Ing. Helmut Kropp

Stabilit�t der Systemuhr

Dipl.-Ing. H. Kropp

Eine Hardwarebetrachtung mit Interpretation des Datenblattes (Kurzzeitstabilität)

1. Das Thema betrifft die Prüfung eines Netzbetreibers, ob er bei der "Verbindungspreisberechnung" die geforderte Genauigkeit der Abrechnung einhält.
   
   Regulierung in der Vfg. 168 / 99:
   "3.2 Systemuhr
   Die Ganggenauigkeit, also die Abweichung der Systemuhr in Abhän�gigkeit von der Zeit, muss innerhalb jeder Sekunde besser als 10 exp(-7) sein."
   
   
2. Systemuhren haben als frequenzbestimmendes und frequenzstabiles Bauelement üblicherweise einen Quarz (engl. "crystal"). Dessen Daten veröffentlichen die Hersteller in einem Datenblatt, aus dem die hier relevanten Daten entnommen werden sollen.
   
   
3. Daher wichtig: Den Namen des Herstellers und die Bauteilbezeichnung des Quarzes entnimmt der Sachverständige der Bauteilbeschriftung, indem er sich der Mühe unterzieht, in das Gerät hineinzusehen.
   
   Das Datenblatt selber gibts dann beim Hersteller oder im Internet.
   
   
4. Es soll nun geprüft werden, ob z. B. ein in einem Gerät gefundener Quarz der Vfg. 168 / 99 entspricht.
   
   Beispiel:
   
   

   Typ:	UM-1 High Precision Crystal Fa. DSL
   Schnittart:	AT-cut
   Frequency Range:	4.0 MHz ... 200 MHz
   Frequency tolerance (at +25 �C):	AT +- 3 ppm
   Frequency stability:	AT +- 5 ppm (-10 �C ... +60 �C)
   Operating Temperature Range:	-10 �C ... +60 �C
   Aging (at 25 �C) first year:	+- 2 ppm / year max.

   
   
   Anmerkung: "AT" gibt die bei der Herstellung verwendete Schnittart des Quarzkristalles an.
   
   

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5. ppm heisst nichts anderes als "parts per million" oder 10^-6.
   
   
6. "Frequency tolerance" gibt die Liefertoleranz der Frequenz an, nicht die dynamische Toleranz, sie ist f�r Stabilitätsbetrachtungen ohne Belang.
   
   Für die Stabilität des Quarzes ist vor allem die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und die Abhängigkeit von der Alterung massgebend.
   
   
7. Eine Alterung von +- 2 ppm pro Jahr bedeutet eine Stabilität f�r jede Sekunde von 2 * 10^-6 geteilt durch (356 * 24 * 3600) = 2 * 10^-6 / (31,5 * 10^6) = 0,063 * 10^-12 und kann hier f�r die Kurzzeitstabilität außer Betracht bleiben.
   
   
8. "Frequency stability" gibt die Stabilität der Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur an:
   
   Die Angabe
   +- 5 ppm oder +- 50 * 10^-7 im Bereich von -10 �C ... +60 �C
   kann wie folgt interpretiert werden:
   
   Wenn man realistischerweise annimmt, dass sich die Temperatur eines schon einige Zeit in Betrieb befindlichen Gerätes um, sagen wir, worst case / maximal +- 0,5 �C in der Sekunde ändert, rechnet sich die "stability" bei linearer Betrachtungsweise, bezogen auf den gesamten Definitionsbereich zu
   
   (50 * 10^-7 / 70) * 1 = 0,714 * 10^-7,
   
   womit die oben unter 1. genannte Bedingung "10exp(-7) f�r jede Sekunde" eingehalten wäre.

Anmerkungen

1. Ist der Quarz in einem Thermostat (engl. "oven"), sind natürlich (nach dem Anheizen) noch viel bessere Werte erzielbar.
   
   Die dann erzielbare Stabilität hängt von der Regelgenauigkeit des Thermostaten ab.
   
   
2. Eine Fremdsteuerung oder externe Frequenz-Synchronisation des Quarzes ist hier nicht betrachtet worden.

H. Kropp
07.02.2008