Oscilator etalon (XT)

[VAX]

Pentru cei dornici sa experimenteze, prezint schema unui oscilator perfectionat, capabil sa asigure o stabilitate a frecventei mai buna decat cele construite pe baza schemelor clasice.

 

 

OSC_etalon_10MHz_TB.zip

 

1. In primul rand cuartul este folosit pe frecventa de rezonanta serie, pe fundamentala sau mai bine pe o armonica impara (a 3-a).

2. Alta particularitate a montajului este ca se folosesc transformatoare (pe miez de ferita) pentru coborarea impedantei la punctele de conectare a cuartului, pentru a nu-i reduce factorul de calitate prin legarea directa la emitoarele tranzistoarelor.

3. Limitarea amplitudinii oscilatiilor se face cu un etaj diferential (cu intrare si iesire asimetrice, pentru simplificarea circuitului), ceea ce asigura o variatie mai mica a defazajului introdus de amplificator si un nivel scazut de distorsiuni armonice.

4. Schema este prevazuta cu element de reglare a amplificarii pe bucla (un rezistor variabil), astfel incat sa se poata aduce amplitudinea oscilatiilor in domeniul in care etajul limitator (diferential) lucreaza fara sa intre tranzistoare in regim de blocare. Nivelul semnalului nu trebuie sa depaseasca 100 mV (varf la varf) in baza tranzistorului Q4 (intrarea etajului diferential).

 

Precizez ca in serie cu cuartul trebuie sa existe un element reglabil (bobina sau condensator trimer) cu care sa se aduca frecventa de oscilatie exact la valoarea dorita. Nu apare pe schema, dar sa nu uitati de el.

Tranzistorul Q1 trebuie sa aiba beta si Ft cat mai mari (este bun un BFR96, dar merg si alte BFR-uri, 2SC3355, etc). La un repetor de semnal pe emitor, impedanta vazuta in emitor este egala cu Zg/(beta tranzistor). Zg este impedanta sursei de semnal din baza tranzistorului. Este vorba de modulul amplificarii in curent la frecventa de lucru, nu de beta in curent continuu. Pe schema este trecut 2N2369, pentru simulare cu Circuit Maker. Este bun si acest tranzistor, desi are Ft cam mic.

Pentru a reduce impedanta sursei de semnal din baza lui Q1 s-a folosit repetorul pe sursa cu Q6. Impedanta (rezistenta) in sursa JFET-ului este egala cu 1/gm. La o transconductanta gm=4mA/V (valoare tipica pentru tranzistoarele BF245 si BF256, impedanta in sursa este de 250 ohmi. Daca tranzistorul Q1 amplifica de 100 de ori in curent, impedanta scade la 2,5 ohmi (teoretic, in practica e mai mare). In cazul in care cele doua transformatoare au raportul de transformare egal cu 1/5, impedanta vazuta spre emitorul tranzistoarelor Q1 si Q2 se reduce de 25 de ori, adica in serie cu cuartul se vor afla impedante (rezistente) mult mai mici decat rezistenta serie a lui si factorul de calitate Q nu este afectat (este de ordinul 1 milion). Curentul prin tranzistoarele Q1 si Q2 are valoare mare (intre 10 si 15 mA), pentru impedanta mica in emitor.

Semnalul se extrage din colectorul lui Q2 cu repetor de tensiune cu JFET (ca la schema urmatoare).

Prima schema a fost data pentru intelegerea modului de functionare (ideile aplicate). Este utilizabila in practica, dar trebuie sa i se adauge etajul separator prin care se extrage semnalul.

 

Schema a 2-a este ceva mai simpla, dar eficienta.

 

 

OSC_etalon_10MHz_TB_2.zip

 

Tranzistorul Q2 lucreaza ca amplificator cu emitorul pus la masa, prin tranformatorul T1 si rezonatorul cu cuart. Semnalul din colectorul lui Q2 este defazat cu 180 grade in raport cu cel din baza. Din acest motiv este necesara inca o defazare cu 180 de grade, asigurata de bobina secundara a circuitului LC (acordat pe frecventa de lucru, fundamentala sau o armonica impara a cuartului). La frecvente diferite de frecventa de rezonanta (serie) a cuartului, sau armonice impare ale acesteia, impedanta din emitorul lui Q1 este mare si Q1 nu amplifica suficient.

Rezistorul reglabil de la iesirea etajului limitator are valoare mica (sute de ohmi) si nu mai este necesar separatorul cu JFET. In schimb este folosit un repetor pe emitor (Q1), pentru asigurarea unei impedante mici in baza lui Q2. Pe schema sunt trecute 2N2369, dar mult mai bune ar fi BFR91 (96). Semnalul se culege din sursa lui Q3, prin condensator (separare in cc).

Schemele ar putea avea si un circuit de AGC, dar daca montajele sunt termostatate si alimentate la tensiune stabilizata, atunci regimul de functionare nu se modifica si AGC-ul nu mai este necesar.

S-ar putea lega cuartul in montaj echilibrat (diferential), pentru compensarea transferului de semnal prin capacitatea paralel a lui, asta in caz ca se doreste sa se respecte toate regulile artei. Se complica (putin) bobina secundara a transformatorului T1 Devine bobina cu priza mediana legata la masa. Presupun ca majoritatea radioamatorilor stiu la ce ma refer.

[VAX]

Va arat si cum se poate ajusta frecventa oscilatorului, cu condensator trimer sau cu inductanta variabila, in functie de frecventa de rezonanta serie a cristalului de cuart.

 

 

 

Ajustarea cu condensator trimer se foloseste cand frecventa de rezonanta serie este putin mai mica decat cea nominala, iar ajustarea cu inductanta cand frecventa este putin mai mare. Atat trimerul, cat si bobina reglabila, trebuie sa fie stabile termic. Bobina nu are miez de ferita, ci se regleaza cu miez de alama sau din aluminiu. Va puteti orienta in privinta construirii bobinei uitandu-va la cum este la etalonul polonez (5 MHz) de la frecventmetrele IEMI E0204.

Cu condensatorul trimer Ct1 se compenseaza transferul de semnal prin capacitatea cuartului. Dupa cum se vede, secundarul transformatorului este cu priza mediana.

Editat Septembrie 17, 2017 de VAX

[VAX]

Pornind de la schema oscilatorului cu XT, se poate construi un oscilator LC (VFO) cu circuitul oscilant la rezonanta serie. La oscilatoarele obisnuite se foloseste rezonanta paralel si este necesat ca amplificatorul din bucla de reactie sa aiba impedanta mare la intrare si capacitate mica, sa nu influenteze frecventa de rezonanta.

La acest tip de oscilator, mai ciudat, circuitul functioneaza pe frecventa de rezonanta serie, la care impedanta este minima (ohmi sau zecimi de ohm, in functie de Q-ul bobinei). Circuitul oscilant este cuplat in emitorul tranzistorului amplificator (Q2, in montaj cu emitorul comun) prin tranformator coborator de tensiune (si de impedanta). Impedanta reflectata din emitorul lui Q2 in circuitul LC serie, prin intermediul transformatorului, este de zecimi sau sutimi de ohm, mai mica decat rezistenta de pierderi a circuitului LC (nu ii scade Q-ul). Este ca la schemele de la Q-metre.

 

 

In colectorul lui Q2 este un transformator pe ferita, cu bobina primara suntata (amortizata) cu un rezistor (valoarea exacta se stabileste experimental), care aplatizeaza raspunsul in frecventa (atenueaza rezonanta proprie). Raportul de transformare este astfel incat nivelul oscilatiilor in colectorul lui Q2 sa nu fie mai mare de 1 Vvv (respectiv 50-100 mVvv la intrarea in limitatorul cu etaj diferential - in baza lui Q5).

 

Un astfel de oscilator se poate utiliza si in circuite experimentale (fizica, industrie - cu traductoare capacitive sau inductive), pentru ca elementele care determina frecventa de oscilatie sunt la zero volti si izolate (prin transformator) de restul circuitului.

[VAX]

La ultima varianta de oscilator, VFO cu rezonanta serie, circuitul oscilant poate sa fie si flotant (izolat in raport cu restul circuitului), in cazul in care se folosesc traductoare capacitive sau inductive si se impune aceasta conditie. Gradul de izolare (tensiunea maxima suportata) depinde de cum este realizat transformatorul.

 

[gsabac]

Sa analizam mai in profunzime elementele variabile care influenteaza frecventa unui oscilator, care utilizeaza

un rezonator piezoelectric din cuart:

- rezonatorul propriuzis si precizia frecventei inscrise pe capsula, factorul de calitate;

- stabilitatea frecventei in timp datorita imbatrinirii;

- stabilitatea cu temperatura ambianta, cuarturile sunt "taiate" pentru o anumita temperatura de functionare;

- tensiunea surselor de alimentare;

- stabilitatea in timp si cu temperatura a componentelor utilizate;

- impedanta de sarcina variabila;

- presiunea si umiditatea atmosferica;

- schema utilizata pentru oscilator;

- etc.

Toate aceste variabile se pot trata separat si fiecare are contributia sa, dar cel mai mare rol il are rezonatorul cu cuart.

Daca se doreste precizie si stabilitate trebuiesc folosite componente care au inscrise pe carcasa toate cifrele pina la Hz

si atentie la temperatura medie pentru care este construit, de exemplu 10.000.000Hz, 27⁰C.

In poza sunt 2 cuarturi din colectia personala. Primul este de 2.000.000Hz si al doilea un oscilator termostatat

care scoate la iesire 4.000.000Hz si 1.000.000Hz si se poate utiliza un trimer de ajustare.

Schema electrica utilizata, trebuie sa permita realizarea precisa a frecventei inscrise pe caseta. Daca se recurge la

modificarea frecventei in sus sau in jos cu elemente reactive, stabilitatea poate scade si cu ordine de marime.

Daca se foloseste un cuart, la care lipsesc 2-3 cifre din coada, nu se stie care este frecventa reala !!!, de aceea

si stabilitatea este mai proasta, dar si precizia este mai mica, deoarece materialele utilizate nu sunt de clasa.

Elementul reactiv cel mai precis si stabil sunt trimerii etansati, cu dielectric aer, Johanson sau Airtronic,

dupa cite stiu eu. Sunt optenabili la circa 10$.

 

@gsabac

Editat Septembrie 19, 2017 de gsabac

[flomar60]

 

Elementul reactiv cel mai precis si stabil sunt trimerii etansati, cu dielectric aer, Johanson sau Airtronic,

dupa cite stiu eu. Sunt optenabili la circa 10$.

 

@gsabac

Un model ca acesta nu ar fi bun?

[VAX]

Dupa cum s-a vazut, eu am pus in discutie numai schema electrica, originala, la care am contributie proprie.

Elemente noi sunt:

1. Scaderea impedantei introdusa de circuit in serie cu cuartul, prin conectarea prin transformator (se mentine Q-ul cuartului la valoare aproape neschimbata - peste 1 milion);

2. Stabilizarea amplitudinii oscilatiilor cu etaj diferential;

3. Posibilitatea reglarii amplificarii in bucla, pentru stabilizarea oscilatiilor la nivel la care limitatorul nu lucreaza "dur" (cu intrarea tranzistoarelor in blocare si cu distorsiuni puternice, care duc la scaderea frecventei).

 

Ca urmare, un astfel de oscilator functioneaza mai stabil decat unul construit pe baza unei scheme clasice.

 

Ce tine de cuart, de imbatranirea lui, de efectul presiunii atmosferice, de termostatare, etc sunt chestii clasice. Important este ce aducem nou, inovator.

In plus eu am cristale de cuart in vid, de la etaloane de frecventa poloneze (5.000000 MHz) si un cristal in vid (tot in balon de sticla - de fabricatie ruseasca), care pe armonica a 3-a da fix 10.000000 MHz. Am si multe cristale in capsula metalica (mare), pe 1 MHz (fundamentala) si 3,2 MHz, luate din piata de la basarabeni.

[gsabac]

@flomar60, sunt foarte buni pentru aplicatiile noastre uzuale.

@VAX, felicitari pentru schema, este foarte originala.

Toate schemele in care apar bobine, legate direct sau indirect de cuart, asa cum sunt si schemele prezentate in topic,

au stabilitatea compromisa din cauza bobinelor, la care parametrii sunt instabili. De aceea am precizat ca utilizarea

trimerilor din generatia premium asigura stabilitatea necesara.

Din ce am demontat, studiat la firme si construit, cele mai bune scheme au unul sau 2 transistori si nici o bobina.

 

@gsabac

 

 

[VAX]

Depinde de bobina si de miezul utilizat. La oscilatorul polonez de la E0204, pe 5MHz, ajustarea frecventei se face cu bobina reglata cu miez de alama. In plus este termostatata. Daca cuartul are frecventa de rezonanta serie mai mare decat cea nominala, esti obligat sa i-o scazi cu bobina inseriata.

Daca v-ati referit la transformatorul de banda larga, din emitor, este puternic amortizat (cu 3-5 ohmi) si nu afecteaza stabilitatea frecventei. Efect ar putea avea bobina acordata din colector, dar este absolut necesara daca oscilatorul lucreaza pe o armonica mecanica (situatie in care cuartul are Q foarte mare si este foarte stabil). Bobina respectiva este amortizata, ca sa introduca o variatie a fazei mai mica. Ea trebuie sa favorizeze oscilatia pe armonica mecanica si sa o suprime pe fundamentala. Astea sunt lucruri stiute si se practica pe scara mare.

Editat Septembrie 19, 2017 de VAX

[gsabac]

Pentru ca titlul este, Oscilator etalon (XT), ar fi necesat sa precizati ce performante se pot realiza cu schema dvs.

si daca se pot valida pentru inceput cu ajutorul sculei primordiale, simulatorul. Bineinteles cu modele de firma pentru

cuart, care sa includa eventual si dependenta de temperatura. Ar fi ceva foarte instructiv pentru toti.

 

@gsabac

Editat Septembrie 19, 2017 de gsabac

[VAX]

Asta se poate determina exact prin multe teste de laborator, cu cheltuiala mare si timp pierdut. Ar merita efortul la o firma care scoate profit. In principiu schema proiectata de mine trebuie sa fie mai stabila decat cele clasice, din motivele enumerate deja.

1. Rezistenta "vazuta" de cuart in emitorul tranzistor este micsorata de cel putin 20 de ori (creste Q-ul cuartului). Se poate estima cat ar fi Q-ul fara transformator, legat direct la emitorul tranzistorului (rezistenta in plus cam de 3 ohmi - minim), daca se stie cat este rezistenta serie a cuartului, pe fundamentala sau armonica (a 3-a sau a 5-a). Astfel se determina cu cat ar creste Q-ul cuartului, in montaj, daca se leaga la tranzistor prin transformator. Raportul de transformare optim se determina tot experimental, pentru ca depinde de multi factori.

2. Limitarea nivelului oscilatiilor fara distorsionarea puternica a sinusoidei are efect pozitiv asupra stabilitatii frecventei. Distorsiunile mari scad frecventa de oscilatie.

[gsabac]

Pentru ca titlul este, Oscilator etalon (XT), ar fi necesat sa precizati ce performante se pot realiza cu schema dvs.

si daca se pot valida pentru inceput cu ajutorul sculei primordiale, simulatorul. Bineinteles cu modele de firma pentru

cuart, care sa includa eventual si dependenta de temperatura. Ar fi ceva foarte instructiv pentru toti.

 

@gsabac

Revin caci poate nu m-am exprimat suficient de clar.

Ce performante ar trebui sa aibe un Oscilator etalon (XT) de mare stabilitate si daca puteti valida acestea cu simulatorul.

In legatura cu afacerea au facut-o altii la GPS si telefoanele mobile.

6 lei.

Abrevierea TCXO se refera la oscilator cu cuart termostatat. In prezent acestea sunt componente SMD

de dimensiuni minuscule, ca in poza, sunt sute de frecvente disponibile, unele la pretul de circa 6lei:

EPSON X1G004691002512 TCXO, GPS, 16.368 MHz, 0.5 ppm, SMD, 2mm x 1.6mm,

Clipped Sinewave, 3.3 V, TG2016SBN Series.

 

@gsabac

[gauss]

TCXO este termostatat , sau termocompensat ? Acelasi lucru doream sa intreb despre cel Siemens , din foto de la postul 5 .

Multumesc pentru raspuns ! ...

Editat Septembrie 19, 2017 de gauss

[VAX]

Cu ce lucrez eu (Circuit Maker) nu am cum sa fac astfel de simulari. Chiar si modelul pentru XT este simplificat. Ar trebui ca radioamatorii tineri (cu ani multi de trait de acum incolo) sa faca astfel de determinari. Ei sa se foloseasca de astfel de circuite. Eu prezint idei originale, dezvoltate logic pe baza a ce am vazut, citit si inteles. Cele mai multe sunt testate, dar nu in detaliu. Oricum nu sunt prostii, ci ceva de calitate.

[gsabac]

Cu siguranta cel din postul #5 l-am folosit si nu se incalzea.

Metoda nu o stiu decit de la cele IEMI sau KVG. Patru termistori, retea de rezistente, varicap, cutie de cupru

si program individual pentru fiecare oscilator. Cum se face la circuitele integrate sau SMD nu cunosc.

 

@gsabac