低噪音晶体振荡器电路与调试, 顺便报告下新入V1050F模拟示波器

hylpro

入V1050F模拟示波器一台,很高兴成色很好,保修单还在(保修就不要想了),原装表笔一只(老板说原本有两只....), 还好从淘宝找了一只没有开封的,也是日立的,还没有开封的,参数一样的另外一只表笔(老天眷顾,淘宝就找到这一只完美的)


(原文件名:090539iiuuzhpphsgghw00.jpg)


为了测试示波器同时也为学习. 当然要一个振荡器来测试下. 现有一个RC移相,示波器一看波形严重失真. 为了更进一步验证. 找到了一个公认低失真低相噪的震荡器图纸一份,得到EMRFD, ARRL 的一致认同, 图如下:


(原文件名:1.jpg)


经过不懈努力,最终波形如下, 大致波形:

(原文件名:682vs101-100R-10Rx2-crystal-out-overall.resized.jpg)

局部放大波形:

(原文件名:682vs101-100R-10Rx2-crystal-out3.resized.jpg)

仔细检查, 在波峰处存在x轴不对称,周期133ns,大约差了1ns.这个电路能搜到的资料中,做到这个程度好像已经是非常不错了. 下面是老外同样电路的一个结果:

(原文件名:FIG2.JPG)

左边是发射极波形,明显有失真, 看我最后调整到的结果,也是发射极:

(原文件名:682vs101-100R-10Rx2-emmiter-out.resized.jpg)

相当漂亮不是.

调试过程和其他资料正在整理中. 另,用android手机软件函数发生器输出的正弦波测试对称性,非常完美(肉眼示波器不可见X轴非对称),但展开后有锯齿,crystal则完全没有这个问题. 另:先说结论, 上升下降沿的不对称源自偶次谐波失真,仿真结果可以证明此点.

chensi007

我有一台V-1060。

phimas

LZ几米入的？
透漏下呗。

eastbest

mark

NJ8888

做控制，模拟示波器不如数字的

hylpro

回复【2楼】phimas  
lz几米入的？
透漏下呗。
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1k暂时很赞模拟(以此价格)

i55x

太贵啦，个人认为也就400块。
实际上1500就能买存储示波器了，现在电路结构越来越数字化，纯模拟示波器没什么用了。

hylpro

最初是按照EMRFD的一个电路做了一个tone发生器:


(原文件名:0.jpg)

完工状态见下图(线长了点, 700Hz左右):


(原文件名:1.jpg)

上示波器看看波形:

(原文件名:2.jpg)


各种配置在上图的示波器旋钮上可以读出来,表笔设置为1:1. 比较明显的一个问题是在负的峰值有两条线,动态看,他在不断的伸缩,这是幅度不能稳定的一种表现, 在正的峰值就没有这个问题. 用手触摸电路的地, 负峰值的双线消失,反而变得稳定, 没有很好的屏蔽,这是硬伤.(但原因不一定如此, 各个元件都是垃圾堆里翻出来的,也没有仔细调整工作点).


如果触摸到任何元件, 波形立刻变得一踏糊涂, 人体上感应了各种信号,对电路的影响巨大. 一个例证就是, 用手触摸示波器的表笔, 能感应到接近10Vpp值的50Hz AC信号(室内工作台附近).见下图:

(原文件名:3.jpg)

hylpro

一个及度困扰的问题, 上面(音频波形)的图也可以看出来, 波谷有比较明显的向右倾斜的趋势,波峰则向左倾斜.仔细考虑,这是因为下降沿(falling edge)的速度比上升沿(rise edge )慢了一些,导致两个slope不对程.下面的局部放大图更明显一些:


(原文件名:0.jpg)


这个问题很困扰, 不知道是什么原因. 暂时归结为噪音(所有非正弦波都可以说成是一个理想正弦加上各种"噪音"). 所以制作了另外一个低噪音的 crystal oscillator来验证, 看看到底是示波器的原因还是振荡器本身的问题. crystal以其超高的Q值, 能提供稳定干净的信号.也相当便宜.  不是每种类型的crystal 振荡器都能提供干净的信号. 但是下面这个电路比较风靡低phase noise应用:(用于IMD 或者phase noise测量)

(原文件名:1.jpg)

俺的bug版本成品是这个样子的:(依然没有良好密封,没有50R匹配). 使用烂大街的9018和独石/磁片电容(非NP0,凑合看看吧).


(原文件名:1.jpg)



low distortion的正弦波
这个xtal振荡器的波形如何? 见图:


(原文件名:2.jpg)


(原文件名:3.jpg)


(原文件名:4.jpg)


(原文件名:5.jpg)

这 4副图,你只需要看上升沿和下降沿与X轴的交点是否对程即可. 比较严肃的做法是分别测量上升和下降沿的时间,就不测了, 只是展开后进行对称度对比,还是有那么一点差别的(约3ns的差距). 以上测量的配置如下, 探头1:1(有点不伦不类, 10:1也没有改善,证明不对称不是由探头造成的).

测量设置

(原文件名:7.jpg)

hylpro

波形倾斜(不对称)的原因

振荡器性能的提高明显的反应在了示波器上,证明不是示波器的问题,不是地磁的影响. 我很欣慰. 不过依然困扰. 晶体振荡器还是能用肉眼看到失真.  这一方面可能是屏蔽不好(屏蔽上应该做到毫无妥协,甚至除了BNC不要开任何孔,用电池, 开关可以采用干簧管在外边拿磁铁控制), 另一方面没有探究工作点,省略了一个需要实验决定的电感, 还有没有加上JFET的buffer(没有buffer不要谈low distortion?).  但是,这到底是一种什么样的失真? 相位噪音可能使扫描线看起来粗一些(扫描线正常, 要能看到变粗,估计相位噪音已经不可收拾了.), 明显的削峰更是没有, 工作点不好?



经过不懈的google, 终于找到类似的问题:感兴趣的是:
As we predicted, the –35 dB second harmonic distortion component has manifested itself in the time domain as slight asymmetry in the edge
speeds of this signal. After 100 measurements, the average rising edge speed measured approximately 3.9 ps fast, and the average falling
edge speed measured approximately 3.0 ps slow.


(原文件名:8.jpg)

还有更基础一些的,将关心的部分摘录如下:

不含有偶次谐波的方波, 三角波和正弦波 (X轴中心对称)

(原文件名:9.jpg)


含有偶次谐波的PWM, 锯齿波和正弦脉冲波 (X轴中心不对称)



(原文件名:10.jpg)



Y轴上的偏移(不对称)是因为DC成分,和谐波没有关系,注意区分, 见下图:

(原文件名:11.jpg)


(原文件名:12.jpg)
总之:
    你需要小心奇次谐波, 注意消除它,偶次谐波实际上很少存在(干扰中的偶次谐波)(不过我怎么以下子就遇到两个?).   而一旦电路波形出现X轴不对称,就意味着存在偶次谐波, 通过这个线索,去找出电路中可能在两个边沿有不同效果的器件. (我没有解决这两个电路的问题,但理解了,这是第一步)

fsclub

参数？

hylpro

(原文件名:1.jpg)

r1=10k, Q1:9018, C1:220p, C2:470p  crystal:7.47M  C3:56p   Q2相关电路省略. L1:没有

hylpro

C1=220p, C=470p 时晶振输出的波形

(原文件名:471vs471-crystal-out-overall.resized.jpg)

但是这个时候发射极波形严重失真

(原文件名:221vs471-emiter-out-big.resized.jpg)


这个结果实在改善了偏置电路的情况下测的的,上面提到的电路偏置未调整的状态下存在严重问题, 发射机没有图片但是集电极是这个样子:


(原文件名:221vs471-collector-out.resized.jpg)

偏置电路采用下面的形式, 参数也相同

(原文件名:1.jpg)


的到的结果就是上图所示的发射极波形. 未修改偏置前基极电压仅1.3V,并且不好调整, 新的偏置容易设置. ARRL 2006 第10章就是采用这个偏置电路(那个电路中C2还并联了一个电感,用于进一步提高Q值).

这个发射极波形并不是很差, 很多此电路得到的发射极是下面这个样子的:

(原文件名:1.GIF)

hylpro

偏置是第一步, 至于调好偏置(电流没有仔细调整,也很重要)为嘛发射极还是那个样子就有点困扰. ARRL 2006建议C1=C2,在震荡频率上容抗几百R为好. google下这个电路C1大多等于C2.  一开始也没有怀疑是这里的问题. 到处找资料的过程中突然想起 铃木亚巨 著的<晶体管电路设计 下> 有振荡器的相关内容,反出来看看,竟然有这个问题的描述:

(原文件名:1.jpg)

铃木雅巨指出,C1比C2要大,至于具体值就尝试确定把(容抗不能太低,否则不起振). 想想应该是这样子的, 这个比值确定了反馈量的大小. 越大反馈越小. 震荡条件要求这个环路增益在指定频率上是1,这里的反馈太大,最终震荡就不是你要的那个频率(或者其他条件引起增益下降才行).一般反馈量要求正好满足能可靠起振即可. 最终实验确定C1=680pf, C2=100pF的时候电路状态相当好,如果用1:1表笔去测量电路就不能起振说明反馈量足够小了(带buffer不知道行不行)(令这样测试震荡电路是不那么规范的,应该在制定负载下测量,比如50R).
最终得到了相当完美的发射极波形:



(原文件名:682vs101-100R-10Rx2-crystal-out3.resized.jpg)

hylpro

回复【13楼】spy001  
小于1%失真度的正弦波用示波器观测就很难做区分了
用失真分析仪做测试，数据的准确性和可信度更有保证
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没有失真分析仪,没有频谱分析仪. 准备做个示波器附件形式的spectrum analyzer(低要求的). 仔细对比还是能区分1%的失真吧(2ns vs 133ns)但是这不是10%, 90%原则, 10%到90%那部分看不出任何不对称,但是手机输出的正弦波在任何地方都看不到不对称(但是频率低). 已经不知道是示波器的问题还是哪里的问题了,就连NB的安捷伦和HP(当然3G,5G那种规格的)都有-35DB的失真.

哪位还有高招?(考虑到频率还不是那么高,应该还是电路本身存在一定程度的问题,应该能看到完美左右对称波形的)

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