Welche Komponenten oder Schaltkreise gibt es, die extrem schnelle und genaue Uhren liefern können?

Ich bin jetzt schon eine Weile neugierig ... und habe mich gefragt, ob es Komponenten gibt, die Takte liefern, die viel schneller sind als eine typische CPU, z. B. bis zu 10 GHz oder höher.

Optoelektronische Oszillatoren (OEOs) sind Oszillatoren, die ein photonisches Signal wie ein Pumplaser aufnehmen, es modulieren und es mithilfe einer Fotodiode in ein elektrisches Signal umwandeln. Die von diesen OEOs erzeugten Signale haben einen extrem hohen Q-Faktor und damit einen sehr geringen Jitter. Hier ist ein Diagramm eines OEO, das dieser OEO-Übersicht entnommen wurde . Der Fokus liegt hier auf ultrahoher Stabilität, nicht auf einer Hochfrequenzausgabe. Aber es gibt auch OEOs, die hohe Frequenzen erreichen, zum Beispiel erreicht dieser Dual-Loop-OEO einen Abstimmbereich von 32 bis 42,7 GHz.

Neben photonischen Oszillatoren können Frequenzsynthesizer Takte über 10 GHz liefern. Wie andere Antworten bereits erwähnt haben, können diese Frequenzen weit über 10 GHz erreichen. Beispielsweise stellt Analog Devices einen Frequenzsynthesizer her, der Frequenzen bis zu 13,6 GHz erzeugt . Außerdem erzeugen Synthesizer die Frequenzen für einen Signalgenerator wie diesen , der bis zu 67 GHz erreichen kann.

Hier ist eine kurze Übersicht über Synthesizer, wenn Sie es lesen möchten.

Ein Synthesizer besteht aus einer PLL (die einen VCO enthält) und manchmal auch einem Mikrocontroller, um die PLL digital einzustellen.

Zitat aus einem Tutorial von Analog Devices zu PLLs :

Ein Phasenregelkreis ist ein Rückkopplungssystem, das einen VCO und einen Phasenkomparator kombiniert, die so verbunden sind, dass der Oszillator einen konstanten Phasenwinkel relativ zu einem Referenzsignal beibehält. Phasenregelkreise können beispielsweise verwendet werden, um aus einem festen Niederfrequenzsignal stabile hochfrequente Ausgangssignale zu erzeugen.

Ein VCO (Voltage Controlled Oscillator) ist eine Schaltung, die eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die durch eine Abstimmspannung gesteuert wird. Eine Möglichkeit, einen VCO zu implementieren, besteht darin, die Abstimmspannung an Varaktoren anzulegen, wodurch die Kapazität des LC-Schwingkreises in der Schaltung angepasst und eine andere Frequenz erzeugt wird.

Grundsätzlich wird eine PLL verwendet, um ein phasengleiches Vielfaches einer niedrigeren Referenzfrequenz zu erzeugen. Sie werden verwendet, um Datenkonverter, die bis zu mehreren GSPS gehen können, und auch CPUs zu takten.

Neben PLLs gibt es eine Vielzahl von Quarzoszillatoren (TCXOs, OCXOs, Saphir-Oszillatoren, GPS-disziplinierte Oszillatoren usw.). Im Gegensatz zu Synthesizern geben sie jedoch eine feste Frequenz aus. Sie sind normalerweise für extrem niedriges Phasenrauschen und Langzeitstabilität ausgelegt, nicht für hohe Ausgangsfrequenzen. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie oft als Referenz für PLLs verwendet.

Ich weiß nichts über hohe Frequenzen, aber auf LeapSecond.com gibt es eine nette Reihe von Folien , die eine Reise im Stil der Zehnerpotenzen durch verschiedene Genauigkeitsstufen bei Zeitmessungsstandards unternehmen. Hier ist die Liste mit der Genauigkeit für jedes Element in Sekunden. Vielleicht können andere diese Antwort bearbeiten, um andere elektronische Geräte auszufüllen.

• $10^{-1}$(10%): Menschlicher Herzschlag
• $10^{-2}$(1%): Stimmgabeloszillator
• $10^{-3}$(0,1%): Präzisions-Stimmgabel
• $10^{-4}$(100 ppm): Mechanischer Oszillator
• $10^{-5}$(10 ppm): Netzstrom (über 1 Sekunde, besser Langzeitdurchschnitt)
• $10^{-6}$(1 ppm): Kristalloszillator einer Quarzuhr
• $10^{-7}$(100 ppb): 1940er Navy Chronometer (sieht aus wie eine schicke Wanduhr)
• $10^{-8}$(10 ppb): Hightech-Pendeluhr
• $10^{-9}$(1 ppb): Erdrotation
• $10^{-10}$: Ofengesteuerter Quarzoszillator (OCXO)
• $10^{-11}$: Guter OCXO
• $10^{-12}$: Ausgezeichnetes OCXO
• $10^{-13}$: Rubidium-Oszillator
• $10^{-14}$: Cäsium-Oszillator (kurzzeitig) oder BVA-Quarz (extrem kurzzeitig)
• $10^{-15}$: Wasserstoff-Maser (Kurzzeit) oder Cäsium-Oszillator (Langzeit)

Genauigkeit ist natürlich nicht gleich Präzision. Der Wasserstoff-Maser klingt wirklich spannend, bis man merkt, dass er nur mit 1,4 GHz schwingt. Ein genaues Frequenznormal ist nur ein Teil des Bildes. Außerdem erreichen einige dieser Oszillatoren ihre beste Leistung erst nach einer langen Aufwärmphase. Manche leiden unter Langzeitdrift.

Messen von Zeitunterschieden beim Funkwellenempfang

Das hängt mit der Interferometrie zusammen , oder? Dies geschieht in der Regel nicht so sehr durch Messen der Ankunftszeit von Signalen gegen eine Art schnelle Stoppuhr, sondern durch Messen von Phasenunterschieden. Wenn Sie ein 1-GHz-Signal haben und seine Phase auf 1 % genau messen können, ist das tatsächlich nützlicher als ein 10-GHz-Abtasttakt.

Es gibt Komponenten, die viel schnellere Takte liefern als eine typische CPU, wie z. B. bis zu 10 GHz oder höher.

Wie in anderen Antworten erwähnt, ist es derzeit möglich, Halbleiter-VCOs mit einer Ausgangsfrequenz im Bereich von 20 bis 30 GHz zu erhalten. Aus Stabilitätsgründen müssen diese Oszillatoren typischerweise in einem Phasenregelkreis (PLL) verwendet werden, der auf einen hochstabilen Kristalloszillator bei einer niedrigeren Frequenz (üblicherweise 50–200 MHz) bezogen ist.

Hochgeschwindigkeitsprojekte, wie z. B. das Messen von Zeitunterschieden beim Empfang von Funkwellen

Wenn man die Zeitdifferenz zwischen zwei Ereignissen messen möchte, ist ein Hochfrequenzoszillator leider nicht unbedingt die größte Herausforderung. Es ist schwieriger, Ihr Messsystem so zu entwerfen, dass das Taktsignal an zwei Messschaltungen mit der gleichen Verzögerung (oder mit einem bekannten Unterschied in den Verzögerungen) ankommt, als einen 20-GHz-Oszillator zu finden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, Ihre Musterschaltungen so zu gestalten, dass sie mit konsistenter Verzögerung auf den Eingangsstimulus reagieren.

Sie können ohne großen Aufwand kommerzielle Oszillatoren kaufen , die bis zu 6+ GHz laufen.

Oszillatoren mit höheren Frequenzen können hergestellt werden, aber sie müssen im Allgemeinen für eine bestimmte Verwendung entwickelt werden, da bei sehr hohen Frequenzen nur die Geräteverpackung problematisch wird.

Im Allgemeinen sind diese Arten von Oszillatoren nicht so genau, zumindest für sich genommen. Sie werden normalerweise in einem sogenannten Phasenregelkreis verwendet, der einen hochpräzisen Oszillator mit niedrigerer Frequenz verwendet, um den Oszillator mit höherer Frequenz zu "disziplinieren", indem er die Phase der beiden Takte vergleicht und diesen Vergleich verwendet, um die Steuerspannung zu modulieren zum VCO.

Es ist auch möglich, eine niedrigere Frequenz mit einer höheren Frequenz zu multiplizieren , wodurch die komplexeren Teile eines Oszillatorsystems (der VCO) mit einer zugänglicheren (und prüfbaren) Frequenz laufen können, während immer noch ein Hochfrequenzausgang vorhanden ist.

Wenn die Frequenz noch höher wird, werden die Oszillatorsysteme noch exotischer:

• YIG-Oszillator
• Dielektrische Resonatoren
• Einige Bilder eines dielektrischen Resonator-Oszillators (DRO)