Harmonische kristaloscillator

Hallo. Ik ben een zendertje aan het maken voor de 70cm band, 432MHz. Ik heb een kristaloscillator gemaakt met de bedoeling hier 216MHz uit te halen. Die frequentie wordt verdubbeld en versterkt. De oscillator is een 72 MHz Colpitts schakeling met in de collector een 216MHz afgestemde kring. Daaraan is inductief een tweede 216 Mhz kring gekoppeld. Via een oppiklus gaat het signaal naar de verdubbelaar welke in klasse B staat. Die filtering is beslist nodig omdat je anders plus en min 72 en 144 MHz terugvindt in het 70cm signaal. Nu heb ik net iets te weinig signaal voor sturing van de verdubbelaar. Gevolg is dat het hele ding maar 1,5mW produceert terwijl 15 á 20mW haalbaar moet zijn. Als ik de oscillator aanzet is de stroom in de verdubbelaar 1mA Moet eigenlijk 5mA worden. Ik gebruik transistoren van het BFR type die wel tot in het SHF gebied kunnen werken. Alles werkt stabiel, geen "springen"van de sterkte van het uitgangs signaal als ik een de trimmers draai, alles regelt soepel op maximum af.
Nu de vraag wie heeft een idee van een harmoischem kristal oscillator die een tikkeltje meer geeft. Andere transistor geprobeerd, spoelen van wat dikker draad (gaf iets verbetering)ander kristal, etc. Het hele ding moet op 5 volt werken wegens besturing met een PIC processor die de eindtrap in AM moduleert.

Op de foto een idee wat ik maak maar deze is 144 Mhz uit de oscillator en tweede trap als verdrievoudiger. Dat gaat niet 244MHz komt er net zo hard uit als 432 vandaar nu 216 MHz en verdubbelen. Dat signaal is wel schoon. De spoelen zijn dus anders, kleiner.
Op de tweede foto een colpitts oscillator L2 met de C's en Rl zitten er niet in. F oscillator is maal 3 natuurlijk, kristal 72 MHz.

Op 16 augustus 2022 20:45:25 schreef pa0fmy:
Nu de vraag wie heeft een idee van een harmoischem kristal oscillator die een tikkeltje meer geeft.

Kan je niet 'gewoon een eentransistor tussenversterkertje' tussenvoegen?

fatbeard

Honourable Member

Die 5V is natuurlijk niet een heel strak gegeven: als je de eindtrap met een gemoduleerde voeding (Vref beïnvloeden) voedt ben je daar redelijk vrij in...
Een en ander hangt natuurlijk wel af van de bandbreedte van het te moduleren signaal, niet elke voedingschip leent zich hiervoor.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Op dit moment is de eindtrap nog niet aan de orde. Ik heb er een gemaakt die het wel goed doet. Ik maak een tweede, zelfde print, zelfde onderdelen, oscillator niet goed op sterkte te krijgen.
De eindtrap wordt gevoed met een poort uit een PIC. Die kan makkelijk 20mA leveren. Heb je 100mW max input. Er hoeft maar 20mW uit te komen. Met de PIC kan ik een melodietje of telegrafie maken. Vanavond nog de transistor in de oscillator vervangen door een BFY90 heeft een klein meetje verbetering.
Een tussentrap als versterking is een optie maar dan moet de print aangepast worden en het moet ook in het zelfde blikje passen. Ook gaat zoiets gegarandeerd oscilleren waar het niet moet.

Een mogelijkheid is een transistor te vervangen door een MAR-1 of MAR-1SM. Die hebben 17 dB gain én werken op 5 volt. Dat zal die BFR niet halen.

https://www.minicircuits.com/WebStore/dashboard.html?model=MAR-1SM%2B

Krijg sterk het vermoeden dat het in exemplarische verschillen zit in de transistor voor de oscillator. Ik moet dus een exemplaar hebben dat van nature al veel harmonischen genereert. Dit omdat de eerste die ik maakte het wel doet. Dus iets met een kromme karakteristiek.
Een transistor die het goed doet als frequentie verdubbelaar zal in deze oscillator ook goed werken. Wie heeft een idee.

mel

Golden Member

Ik gebruik meestal een BF 199, dat werkt vrij goed.

u=ir betekent niet :U bent ingenieur..

Ha pa0fmy,

Ik zou je graag op weg willen helpen maar ik zie geen component waarden :?

Een oscillator is een zeer complex circuit de reden, voor je oscillator circuit is geen ingang signaal “Vs” nodig,
er valt dus niets te versterken 8)7 vandaar dat het terugkoppelingssignaal Vf op zich, voldoende moeten zijn voor de oscillaties,
en de absolute versterking totaal geen invloed heeft.
Ook de Ft transit frequentie is niet van belang zolang de gain iets meer dan 2 ... 3 is op je werk frequentie prima.
Het is zelfs beter om de Ft niet te ver van je werkfrequentie te kiezen dempt de harmonische :P

Jou oscillator moet aan de volgende voorwaarde voldoen het "Bessel Barkhausen" criterium :

Het Barkhausen-criterium stelt dat:
• De lus versterking is gelijk aan eenheid in absoluut grootte, dat wil zeggen, | β A | = 1 en
• De faseverschuiving rond de lus is nul of een geheel veelvoud van 2π radiaal (180°), d.w.z. <β.A = 0
Het product β A wordt de "lus versterking" genoemd.

Let op er is niet veel winst te behalen je ontwerp werkt goed schrijf je !
Hoe heb je dit gemeten, en wat heb je gemeten om die conclusie te trekken ?
Als alles naar wens is voldoe je aan het Barkhausen criterium en zal er waarschijnlijk iets met de uitkoppeling,
anders zijn ten opzichte van het eerste exemplaar !
Denk aan spreiding van de condensatoren je Fo borg je wel maar de fase is anders door de combinatie LC !

De uitkomst van beiden is zoals gezegd de lus versterking maar onderling amplitude en fase kan je beïnvloeden dus,
je kunt een net iets ander amplitude en of fase veroorzaken.
Oorzaak de Miller capaciteit, maar ook de fase van de uitkoppeling ( belasting ) beïnvloed de terugkoppeling.
Je kunt maar aan twee knoppen draaien amplitude A en de fase β .

De spreiding ( klein signaal ) van een halfgeleider is groot.
Dus de negatieve weerstand ( capacitieve deler ) zal aangepast moeten worden !
Maar ook de bias heeft invloed zeker op de fase ruis en harmonische een sinus lijk mooi maar heeft een slechte fase ruis !

Om die reden gebruiken we tussen oscillator een de rest van het systeem een buffer dit is een isolatie versterker.
Deze is instaat om over een groot impedantie bereik een goede signaal overdracht te verzekeren....

Groet,
Henk.

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

Zitten maar weinig onderdelen in.
Voeding is 5 volt. Weerstand van basis naar plus is 22K-Ohm
Geen C in serie mem kristal. C op parallelkring in collector is 10PF spoel is vier windingen 0,8mm koperlakdraad uitrekken op resonantie 216MHz. Spoeltje in emitter is 15 wikkelingen dun draad. Condensator er over is 47pF. Geen condensator tussen emitter en basis.
Reeds vele zendertjes voor 2 meter gemaakt met zelfde oscillator-schakeling. 1 tor versterking en low-passfilter/ uitkoppeling altijd nog 40mW met selectieve mobilofoontestset gemeten.
Ik meet met een scoop die ook 70cm golf kan displayen. Goede schakeling 700mV top-top tweede kom net verder dan 40mV.
denk het ontwerp aan te passen door er een buffertrap tussen te zetten. Met een kleine C koppelen en ook weer een parallelkring in de collector. Het hoeft niet allemaal faseruisvrij en HiFi te zijn. Worden zenders voor een 70cm Vossenjacht. De oscillator moet juist veel harmonischen hebben om de derde harmonische van de oscillatorfrequentie er uit te halen. Het is een harmonische oscillator, geen overtone oscillator. Oscillatorvoorwaarden weet ik. Rondgaande versterking 1 en terugkoppeling in fase. Bij opstarten meer dan 1 en stabiliseert zich tot 1 als die werkt.

Beste PA0FMY, het schema wat je poste toont alleen maar de oscillator.
Kun je niet het volledige schema hier laten zien van alle verdubbelaars of verdrievoudigers?
En voor de spoelen geef je niet de wikkeldiameter op, die missen we dus.

"tijd" is een interpretatie van een bepaald moment op een bepaalde schaal. Het begin van tijd is ontstaan na het begin van het universum. Buiten het universum bestaat er geen tijd, het is slechts een dimensie.
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 17 augustus 2022 10:21:00 schreef pa0fmy:
Een transistor die het goed doet als frequentie verdubbelaar zal in deze oscillator ook goed werken. Wie heeft een idee.

Dat is niet gezegd.
Stel eens dat de collectorstroom de vorm van een halve sinus zou hebben. Dan heb je een heel flinke tweede harmonische, een iets minder flinke vierde harmonische, uiteraard nog meer even harmonischen, en... in het geheel geen derde harmonische (of welke oneven dan ook).

Als je werkelijk het oscillatorschema uit de startpost gebruikt, zou ik om te beginnen die transistor wat degelijker instellen. Nu is het meer een thermometer. De kans is groot dat dat schemaatje in jouw tweede exemplaar toevallig gewoon geen noemenswaarde derde harmonische in zijn collectorstroom heeft.

Met een normale basisspanningsdeler en emitterweerstand leg je het werkpunt beter vast. Daarna kun je eens gaan experimenteren met hoevéél bias je geeft: de golfvorm hangt daarvan af, en dus ook de verdeling van harmonischen.
Als je wat meetapparatuur kunt lenen kun je dit, terwijl je met de weerstanden experimenteert, meteen zien.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Schemasleutel bij vos 70cm.
R1 100 Ohm
R2 10 Ohm
R3 i K Ohm
C1 47pF
C2 10 pF
C3 10 pF
C4 100nF SMD
C5 100nF SMD
C6 100nF op 1/3 koude einde op striline gesoldeerd
C7, C8, C9 pistontrimmer 6 pF
C10 100nF SMD
C11 1pF twee draadjes
L1 4 wikkelingen 4 mm afstemmen op 216 MHz door uitrekken
L2 5 wikkelingen 4mm afstemmen op 216 MHz door uitrekken industief gekoppeld met L4
L3 2 wikkelingen op koude einde L2
L4 15 wikkelingen 4mm dun draad werkt als smoorspoel
L5 2 wikkelingen 4mm ruime spatie
L6 1 wikkeling 6mm Afstemmen op 432MHz met C7
L7 Smoorspoel dunne draad 4 wikkelingen 3mm
L8 is er niet
L9,10 5 cm staafkring 1,2 mm verzilverd koperdraad Aftakking op 1/3 koude einde
D1 1N4148
Y1 Kristal 24 MHz wekrt in overtone 72 MHz.
T1 BSX20 of BF199
T2, T3 BFR91
Alle voedinglijnen hebben een eigen ontkoppeling van 100nF op het kopervlak
Bovenkant print is kopervlak verbonden met alles dat minpool of massa is.
Onderkant print opgevuld met kopervlak en verbonden met alles dat minpool of massa is.
Stroom door T1 ca 8mA
Stroom door T2 ca 5mA
Stroom door T3 ca 25mA
Zendvermogen ca 30mW
Dit is bij het werkende exemplaar

Frederick E. Terman

Honourable Member

Ah, je hebt inderdaad Q1 niet netjes ingesteld. De collectorstroom is dus afhankelijk van temperatuur en exemplaar. Hier eerst een nette schakeling van maken; daarna de instelling uitzoeken op sterkste gewenste harmonische in de collectorstroom.

Y1 Kristal 24 MHz wekrt in overtone 72 MHz.

Weet je dat zeker? Er is hier niets dat het kristal ervan weerhoudt gewoon op de grondtone te gaan swingen, waarop het waarschijnlijk veel actiever zal zijn. Aan de uitkoppelkring dan de taak daarvan de négende harmonische te pakken!

--

L4 15 wikkelingen 4mm dun draad werkt als smoorspoel

Als L4 op ca. 100 nH uit zou komen, zou er in de emitter een parallelkring op 72 MHz zitten, wat wél het kristal in overtone zou dwingen. Maar daarvoor is 15 wdg te veel; het spoeltje zal eerder ergens tussen een halve en een hele uH zitten.

--
Hieronder een uitgeklede versie van je oscillator in de sim. L1-C1-C4 stellen hier even een kristal op 72 MHz voor.
Links: collectorstroom groen, basisspanning rood. Rechts: spectrum van collectorstroom.
e: R2 toegevoegd en nieuwe grafiek gemaakt; verschilt echter bijna niet.

Je ziet duidelijk dat in de collectorstroom veel minder derde harmonische zit, dan tweede en vierde harmonische. Je kunt dus wel een kringetje op 216 MHz plaatsen, maar daarover zal gewoon niet veel spanning vallen.

Zelfs de zesde harmonische (432 MHz) is harder dan de derde op 216 MHz. Wat dat betreft zou je beter gelijk op 432 kunnen uitkoppelen (afgezien, natuurlijk, van spuriousproblemen die je dan zou krijgen).

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Knap hoor dat je dat kunt simuleren met software. Het spoeltje in de emitter is inderdaad belangrijk. Bij de twee meter exemplaren al uitgevonden dat het zo goed werkt op 72 Mhz. De emitter is laag ohm daar kan je gewoon de oscilloscoop of digitale frequentiemeter op aansluiten en zie je netjes 72 MHz en een mooie sinus. Voor een stabiele gelijkstroominstelling zal er dus een weerstand met ontkoppelingscondensator in serie met de emitter en spoeltje moeten en een spanningsdeler op de basis. Nadeel is dat er dan meer weerstand over het kristal zit en je verliest wat spanning. De spanningsdeler kan voor het experiment even een potmeter zijn en afstellen om er het meeste 216 MHz uit te melken.
Het eerste experiment om de oscillator 144Mhz te laten leveren en de tweede trap te laten verdrievoudigen was een mislukking. 288Mhz kwam er bijna net zo hard uit als 432 en dat filter je in de volgende trap er niet meer uit ook niet met het staafkringfilter in de eindtrap. Je verliest zo ook nutteloze energie in de eindtrap omdat alles op batterij moet werken.

De transistor werk ook als gelijkrichter voor de opgewekte wisselspanning. Hierdoor zal de basis iets meer naar negatief worden getrokken. Het stabiliseert a.h.w. zich zelf.

Frederick E. Terman

Honourable Member

De simulatie is nu hoofdzakelijk bedoeld om te laten zien dat de harmonischen anders in sterkte verdeeld kunnen zijn dan je soms denkt. Meer details zie je alleen als je meer gegevens toevoegt aan het schema.

Ik heb nog even een weerstandje toegevoegd in het 'kristal' en de grafieken vervangen. De basisspanning is nu wat tammer, maar voor het resultaat maakt het niet zoveel uit.

Om die tweede weerstand over het kristal zou ik me geen zorgen maken. Het kristal gedraagt zich hier als een spoeltje dat samen met de ingangscapaciteit van de tor resoneert op die 72 MHz. Je hebt het dan over reactanties van een paar honderd ohm, en daar kan best een paar tientallen kΩ overheen zonder veel effect.

--
Mocht een meelezer het proefje in de sim na willen doen, met de gegeven waarden voor het 'kristal', denk er dan aan dat de schakeling er in verhouding vrij lang over doet om op te starten: houd rekening met een paar honderd microseconden. Je zou anders denken dat het niet werkt. :)

Dit is met 'Real time noise'. Een alternatief is met een Initial condition de oscillator op gang te schoppen.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Vanavond een emitterweerstand van 68Ohm toegevoegd en de basis aangestuurd dmv 500 Ohm potmeter tussen + en - en 1 K in serie naar de basis. Er verandert helemaal niets aan de golfvorm die er uit komt. Het enige wat het doet is dat je de output kunt regelen. Zet je de basisspanning hoger dan houdt het oscilleren op. Draai je 'm wat terug dan is die er weer. Dit lost niks op.

Ben nu zo ver dat het ding werkt zo als het moet. R4 van 22K naar 12K, meer oscillatorvermogen, Collector Q1 nu op aftakking spoel 1 wikkeling vanaf koude einde, L1 moet 1 wikkeling meer op. minder demping betere Q factor, R1 was 100 ohm nu 10 Ohm. Meer stroom door verdubbelaar nu ca 7mA kan je meten 10Ohm is shuntweerstand voor voltmeter, C11 vergroot tot 3,3pF, meer sturing naar eindtrap, L5 nu aan onderkant print is nu 3 wikkelingen 3mm doorsnede, voorkomt ongewenste koppeling met Lecherleiding van uitgangsfilter, alle ontkoppelcondensatoren extra "aarde" door boren gaatje en doorverbinden met massieve kopervlak bovenkant print, HF moet soms een omweg maken omdat aan de printkant een kopervlak doorsneden wordt door een voedingslijn. Q1 was BF199, weer terug naar snelle schakeltransistor als BSX20. Q2 tussen basis en aarde 6,8 pF compenseert inductieve reactantie Q2. Er komt nu een schoon signaal uit van ca 18mW, Dat is genoeg voor een pieperjacht. Het hele ding verbruikt ongeveer 35mA bij 5 Volt. Er komt een modulatie op in telegrafie. Het gemiddeld verbruik daalt dan vanwege de pauze tussen de tekens. De stroomvoorziening is met twee penlights en een Ali postzegel-omvormertje naar 5 volt. Twee goede oplaadbare of weggooi penlights zullen het een paar dagen op blijven doen.
Zijn er liefhebbers die zo iets willen bouwen? De printtekening kan worden gemaild. Geen ontwerp voor beginners. Zonder meetapparatuur zul je het niet aan de gang krijgen. Eventuele nabouwers veel succes.

Henry S.

Moderator

Wil je sowieso het aangepaste schema posten? Persoonlijk vind ik een layout minder belangrijk, maar daar zullen ook wel liefhebbers voor zijn.

Btw, je hebt wat extra massaverbindingen gemaakt, dat is een pré bij deze frequenties. Het beste is om alles wat aan de massa vast zit, aan de boven- en onderkant vast te solderen.

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Nieuwe tekening is in de maak, duurt misschien 1 á 2 dagen.