10MHz rubidium frequentiestandaard

We maken een sprongetje in de tijd en nu zit de module in elkaar:

De spanningen waren goed, geen rook van welke kleur dan ook, dus de proefopstelling gebouwd:

De Rubidiumunit met een lijmtang op een koelvin geklemd en de twee 7800's met een klem tegen een aluminiumstrip gedrukt.
Het is even om te kijken of het werkt.

Aanzetten, de rode en gele LED (On & 1PPS) gaan aan, de groene blijft uit. So far, so good. Na een paar minuten opwarmen gaat de groene LED (Lock) aan en begint de gele te knipperen.
De unit werkt en ik heb op de analoge uitgang (na de splitter) een mooie sinus (die staat er overigens meteen al ) over een 50Ω weerstand:

Wat gaat er niet goed, de digitale uitgangen, die staan op nul.
Dit is wat er op de ingang van het eerste IC (74HCT14N) staat:

De spanning is netjes 2,5V_DC, maar de toppen naar hoog en laag zijn blijkbaar te klein om de ingang te doen omklappen.
Dat vraagt nog wat aanpassing.
Mijn eerste gedachte is om de condensator van 100pF te vergroten.

Maar voor nu ben ik blij dat de rubidiummodule goed is, want dat wist ik ook nog niet zeker.

Wordt vervolgd.

Edit: Hier het stukje schema waar het nog niet werkt:

Ik kan ook spelen met de 49,9Ω weerstand om het niveau op te krikken, maar geeft dat andere problemen?

Als ik naar de datasheet kijk, dan zie ik dat de triggerpunten op ca 0,8V en 1,7V liggen.
Dan zet je de ingangsspanning op ca 1,2V ipv 2,5V. Dat geeft dan een weerstand van 39kΩ tussen ingang 1 en min (R13), en een weerstand van 120kΩ tussen ingang 1 en plus (R12). De ingangsimpedantie is dan ca 29kΩ ipv 28kΩ.
Dan zou het moeten werken.

Ha rob040,

De ingang van de rubidium mag geen DC zien koppel condensator is hier gewenst.....

Groet,
Henk.

Ha Rob040,

Om je niet werkende digitale uitgangen op te lossen zou ik:

- Eerst meten!
Kijk met je scope op de uitgang van de Rb, Na L4, en na C25. Om te zien hoeveel signaal je hebt, en waar je mogelijk amplitude kwijt raakt.
Is is die amplitude aan de ingang van de 74HCT14 voldoende om volgens de datasheet betrouwbaar te triggeren?

- Dan zou ik het netwerk R12 en R13 optimaliseren, zodat je signaal precies midden in de triggerband van de 74HCT14 zit. Vervang die weerstanden tijdelijk door een instelpot om het optimale punt te vinden, en pas daarna R12 en R13 aan.

- Vergroot R11 om meer amplitude te krijgen. Voor dempen van reflecties is afsluiten met zulke korte afstanden niet nodig, dus in dat opzicht is R11 onnodig amplitude verlies. Wel kan aanpassen van R11 het filter C22-L4-C23 verstoren. dus na aanpassen ook kijken wat daarmee gebeurt.

- Aanpassen van C25 val vermoedelijk weinig helpen. 100pF heeft een impedantie van 100Ω bij 10MHz, en de schakeling er achter is vrij hoogohmig.
Als alle kleine beetjes nodig zijn, dan zou je kunnen aanpassen naar 1nF.

.

Dat is wat je kunt doen binnen je huidige ontwerp. Je print is immers al klaar en bestukt.

In de ontwerpfase zou ik een andere aanpak gekozen hebben:

Dit is een stukje ingangsschakeling van een blokvormer van me.
De eerste buffer is (door die terugkoppel weerstand) geschakeld als lineaire versterker. Daardoor wordt elk redelijk ingangssignaal betrouwbaar omgezet naar TTL niveau's. Omdat die tegenkoppeling DC gekoppeld is wordt, ligt het DC level van ingangssignaal automatisch optimaal tussen de triggerdrempels van de buffer. (Wat jij nu met R12 en R13 instelt)
(R2 en de dioden vormen een protectie die jij niet nodig hebt)

Wel moet die 1e buffer, om lineair te kunnen werken, een unbuffered versie zijn, en zeker niet met ingebouwde hysteresis zoals de 74HCT14.
Dus bovenstaand is niet zo makkelijk alsnog in jouw ontwerp te implementeren.

Wat je zou kunnen doen, als de suggesties in het begin van deze post te weinig resultaat opleveren, kunnen overwegen om je 74HCT14 te vervangen door een ongebufferde variant zonder schmitt-trigger, zoals een HCU04 etc.
Waarschijnlijk gaat dat prima, ook voor de uitgangspoorten.

.

Tot slot nog een vraag uit nieuwsgierigheid: wat is het doel van R9 en R10? Ik zou juist denken dat je die uitgangen zo veel mogelijk van elkaar zou willen isoleren...

groet, Gertjan.

Ha rob040,

Mijn opmerking raakt kant nog wal tekening niet goed gelezen
Ja even spelen met de weerstanden dan moet het goed komen.
Zoals ik al aangaf is dit niet de juiste weg voor een snel 10 MHz signaal maar het kan,
ook de versie van @heer miedema is geen comarator nog data slicer !
Toch werkt dit ook even ( afstemmen ) prima....

Groet,
Henk.

Oké, eerst meten.
C25 = 100pF (Xc = 159Ω bij 10MHz)
Spanning op ingang C25 is 1Vpp
Spanning op uitgang C25 is 500mVpp

Meer verlies als ik verwacht had, dus toch maar naar 1nF (Xc = 16Ω bij 10MHz).
Spanning op ingang C25 is 880mVpp
Spanning op uitgang C25 is 870mmVpp

Dat is al een stuk beter, maar nog geen blokgolf op de uitgang.
Daar had ohm pi het meteen bij het rechte eind: De ingang van de 74HCT14N is een beetje a-typisch en ik ben uitgegaan van een standaard TTL poortje.
Snel even een weerstand van 100k in serie met R12 en daarmee het DC niveau van 2,5V naar 1,3V gebracht en voila:

Beetje grillig en een kleine overshoot, maar dat laatste kan afregelen van de probe zijn.
Ik ga de vier digitale uitgangen nog belasten en kijken of het zich goed houdt. Kan ook nog een beetje spelen met de DC waarde van 1,3V om te kijken of het stabiel blijft en wat Gertjan voorstelde met een potmetertje is dat mooi te doen.
Voor nu weet ik in grote lijnen dat alles werkt zoals ik hoopte en kan worden overgegaan naar het analoge uitgangsgedeelte.

Tot slot nog een vraag uit nieuwsgierigheid: wat is het doel van R9 en R10? Ik zou juist denken dat je die uitgangen zo veel mogelijk van elkaar zou willen isoleren...

Die weerstand is onderdeel van de Wilkinson verdeler die electron920 aanreikte. De rare waarde komt door het schalen, omdat we uit zijn gegaan van een standaard L van 1µH. In plaats van 100Ω werd het ietsje minder.
Geen idee wat die doet, dat heeft waarschijnlijk te maken met impedantie/reflecties/kwart lambda/ander voodoo gedrag.

Op 29 november 2023 13:25:29 schreef electron920:
Zoals ik al aangaf is dit niet de juiste weg voor een snel 10 MHz signaal maar het kan,

Hi Henk,

Klopt, dat heb je eerder aangegeven, maar mijn eis lag niet zo hoog. Voor mij is het een frequentiestandaard en ik ga toch niet in het tijdsdomein met nano- of picosecondes werken. Ik heb het eenvoudig gehouden en toch geprobeerd om de jitter per uitgang laag te houden.

Ik had overigens wel een strakkere blokgolf verwacht, maar ik heb nog geen metingen gedaan tussen begin en einde van de reeks poorten.
Eerste zorg was even om een werkend systeem te krijgen en te weten of mijn Rb klok goed was. Dat is nu beide het geval.

Groet, Rob

Op 29 november 2023 19:11:29 schreef rob040:
De ingang van de 74HCT14N is een beetje a-typisch en ik ben uitgegaan van een standaard TTL poortje.

Bij een standaard TTL-poortje is alles onder de 0,8V een 'nul' en alles boven de 2,0V een 'één'. Daar voldoet de 74HCT14N aan.
Voor een CMOS-poort geldt alles onder 1/3x voedingsspanning is 'nul' en alles boven '2/3x voedingsspanning een 'één'.
De puls/pauze-verhouding ziet goed uit, dus de keuze van 100kΩ (extra) is goed.

Op 29 november 2023 19:43:46 schreef rob040:
[...]
Ik had overigens wel een strakkere blokgolf verwacht

10 MHz blok foutvrij meten is heel moeilijk, dus over de golfvorm zou ik me geen zorg maken. Als de logica het snapt is het goed.

[Bericht gewijzigd door ohm pi op woensdag 29 november 2023 20:21:17 (21%)

Op 29 november 2023 20:17:02 schreef ohm pi:
[...]Voor een CMOS-poort geldt alles onder 1/3x voedingsspanning is 'nul' en alles boven '2/3x voedingsspanning een 'één'.

Dat had ik dus in mijn hoofd, want dat is veel logischer.
Ik heb voor het eerst in ik denk 25 jaar weer eens iets in elkaar gehobbiet, ik merk dat er veel weggezakt is. En in het verleden deed ik meer met CMOS dan TTL. Dus ik verdedig me door te denken dat het vergissen verklaarbaar is.

Ha rob040,

Leuk dat het werkt en een goede insteek niet opgeven maar analyseren
Ja die weerstand is de lijnbalans als een poot niet goed genoeg afgesloten is dan wordt het gereflecteerde signaal in de weerstand opgenomen.
En je poort is per definitie niet goed aangepast....

Omdat je tijdens je ontwerp al aangaf dat de jitter niet een ontwerp criterium was hebben we hier geen aandacht aan geschonken.
De jitter in digitale schakel bouwstenen ontstaat onder andere doordat er tijdens de transitie van hoog / laag en laag / hoog,
niet altijd het niveau bereikt wordt.
Daarom wordt in de data ook een gebied gespecificeerd als X hier binnen is de waarde niet te gebruiken.
Omdat je geen klok gebruikt kan je er niets mee alles hobbelt er doorheen een echte data slicer is wel synchroon.
Je plaatje ziet er voor een probe goed uit dit kan je pas beoordelen als je op de uitgang meet.

Groet,
Henk.

Het is niet allemaal rozengeur en maneschijn...
Vandaag wilde ik wat vervolgmetingen doen, nu alles goed leek te werken.
Als eerste even de analoge uitgang die straks naar het tweede printje gaat en de op-amps moet aansturen voor de +10dBm uitgangen.
Ik had, toen de digitale uitgangen nog niet werkten, een mooie sinus gezien.
Maar dat zag er nu heel anders uit. Zie het verschil tussen niet of wel werkende digitale uitgangen (zijn er vier):

Hier het schema ter info:

Als eerste de +5V maar eens bekeken en die laat een ontluisterend beeld zien. Zie hieronder de +5V verschillen zonder en met werkende digitale uitgangen:

Dat had ik niet verwacht en ziet er ernstig uit. Dit is met open digitale uitgangen, dus ik zou denken dat er dan nog weinig stroom loopt. De IC's zijn allemaal ontkoppeld met 100nF.
Is dit normaal gedrag van die poortjes?
En hoe ga ik de voeding schoner krijgen (als dat überhaupt al gaat lukken), of moet ik zorgen voor een betere scheiding tussen het analoge en digitale signaal?

Ha rob040,

Wat zie ik precies 10 MHz analoog met en zonder digitaal.
Maar dan de voeding zonder digitaal en met digitaal werkend.
Welke chip gebruik je nu die op de tekening of de 04 kan je op simpele wijze de uitgangen belasten ?

Groet,
Henk.

Hi Henk,

Wat zie ik precies 10 MHz analoog met en zonder digitaal.

Klopt.

Maar dan de voeding zonder digitaal en met digitaal werkend.

Klopt ook.

Welke chip gebruik je nu die op de tekening of de 04 kan je op simpele wijze de uitgangen belasten ?

Ik gebruik de 74HCT14N zoals op tekening.

Dan heb ik de vier digitale uitgangen afgesloten met elk 150Ω. Dan loopt er volgens mij de maximale stroom per IC.
Dat geeft verrassend genoeg een ander beeld.
10MHz analoog uit:

Het signaal op één digitale uitgang:

En de +5V, gemeten bij de 74HCT14's:

Hoe kan dat nou zo'n verschil maken? Logischerwijze zou ik denken dat het nu juist erger moet zijn.

Groet, Rob

Ha rob040,

Goed gedaan en schrik niet dit hoort er bij in een eerste model, eigelijk vind ik dit het leukste

Omdat je een Schmitt-Trigger gebruikt ( dit is een comparator met positieve feed back ) met als functie om het,
langzame monotone input signaal in twee stadia te converteren.....
Ik denk dat het voor de ruisimmuniteit gewenste hysteresisgedrag welke nodig is om de twee status situatie aan de uitgang te creëren,
door de uitgangen open te laten je in metastabiliteit terecht komt.

Kort geschreven de uitgang verander voordat de ingang het metastabiele punt heeft bereikt deze verstoring zou zich kunnen,
manifesteren op de voedingsrails....
Verder ziet je signaal er redelijk goed uit de flanken had ik wel iets steiler verwacht voor een S/T maar,
als het laatste plaatje de voedingsrails is

Groet,
Henk.

Hi Henk,

Ik zag net op de laatste scoopplaatjes dat de gemeten spanning niet klopt en net even gekeken, de probe heb ik per ongeluk verschoven van x10 naar x1.
Ik ga de meting even rustig opnieuw doen, want het lijkt er op dat die omschakeling nou net voor een ander beeld zorgt. Dat vind ik wel raar, want ik meet over een lage weerstand. Of is dat al het effect als je de kabel niet met de juiste impedantie afsluit aan scoopzijde? Ik gebruik nu een Rigol x1/x10 standaard probe...

Groet, Rob

Ha rob040,

De scope probe op X1 dan kom je niet verder dan 10 MHz dit is veel te laag dus altijd X10 meten de capaciteit vernacheld de boel.
Ik den even laten bezinken en rustig opnieuw meten maar je 10 NHz digitaal is dat geen connector ?

Groet,
Henk.

Hi Henk,

Dat verklaart in ieder geval de afgeronde blokgolf.
Alle voorgaande metingen waren op standje x10. Zo'n schuifje is zo verschoven als je even niet oplet.

De 10MHz uitgangen hebben geen connectoren, ik soldeer er in de definitieve versie een stukkie coax aan die naar de geïsoleerde BNC connectoren op het frontpaneel gaan.

Groet, Rob

Ha rob040,

Dan zou ik een stukje kabel nemen en bij de scope afsluiten, zo'n probe alleen gebruiken als het niet anders kan.
Is je voedingrails wel redelijk schoon ?

Groet,
Henk.

Vandaag even de laatste metingen opnieuw gedaan, nu met de probe weer op x10.
Ik moet op zoek naar een coax met BNC en zo'n 50Ω afsluit BNC, dus voorlopig nog even met de scopeprobe.

Ik heb nu de digitale uitgangen alle vier belast met 150Ω, beide IC's leveren dan de maximaal toegelaten stroom.
Eerste plaatje is de 10MHz analoge uitgang over 50Ω:

Tweede plaatje is één digitale uitgang over een weerstand van 150Ω:

Derde plaatje is de +5V rail:

Die is dus erg vies en dat treedt op bij werkende digitale uitgangen. Mijn massameetpunt is het sterpunt.
Als de poortjes niet staan te schakelen is de voeding schoon:

Ik heb bij de digitale IC's een extra 2µ2 tantaal gezet, maar dat geeft weinig verbetering op de voedingsrail:

Vraag is hoe de schakelende IC's de voeding zo kunnen verzieken?
Oplossing kan zijn om de +5V te splitsen, een 7805 voor de voeding van de Rb klok en een aparte 7805 voor de digitale sectie.

Ik zou er een 7413 inproppen daar komt een gave 10MHz blok uit zonder extra onderdelen.

Tijdens omschakelen van laag naar hoog of hoog naar laag trekt een poort op het IC een grote stroom. Dat zorgt ervoor dat de voedingsspanning van dat IC in elkaar zakt. Die spanningsdip loopt over de voedingslijnen overal naar toe en komt via reflecties weer terug.
In jouw systeem heb je niet één poortje die omschakelt, maar meerdere. Ook die maken pulsjes die alle kanten uitlopen en met alle andere pulsjes interfereren. Je voedingslijnen samen met de ontkoppelcondensatoren vormen LC-trillingskringen met bijbehorend gedrag.
Het kan ook zijn dat je meetfouten maakt. Je 'moet' je probe over de voedingspennen van het te meten IC aansluiten, en uiteraard, je massadraadje kan ook rotzooi opppikken.
Als de logica goed werkt zou ik niks aan de voeding doen. Het is wel een goed idee om de rb-klok zijn eigen voeding te geven. De rb-klok is een analoog ding, dus die wil een schone voeding hebben. Digitaal spul steekt niet zo krap.

Op 1 december 2023 17:53:48 schreef ohm pi:
Tijdens omschakelen van laag naar hoog of hoog naar laag trekt een poort op het IC een grote stroom.

Als ik de digitale uitgangen niet belast (dus open laat) is het ook foute boel. Loopt er dan zoveel stroom?

Je 'moet' je probe over de voedingspennen van het te meten IC aansluiten, en uiteraard, je massadraadje kan ook rotzooi opppikken.

Het maakt inderdaad verschil waar ik de probe opprik. Op het pootje van het IC is het erger dan op de ontkoppelcondensator. Op zich logisch, maar ik vind het effect wel extreem.
Zoveel rommel op de voedingslijn had ik bij lange na niet verwacht.

Als de logica goed werkt zou ik niks aan de voeding doen. Het is wel een goed idee om de rb-klok zijn eigen voeding te geven. De rb-klok is een analoog ding, dus die wil een schone voeding hebben. Digitaal spul steekt niet zo krap.

Ik kan ook nog eens spelen met het +5V printspoor. Ik kan via de rechterkant ook naar de digitale IC's en dan gaat (vanuit de 7805) links naar de Rb klok.
Ben een beetje zoekende op er een echt probleem is met de voeding, of dat het gewoon niet veel beter kan. Mijn gevoel zegt me dat deze viezigheid op de 5V rail niet normaal is.

Op 1 december 2023 17:50:54 schreef RAAF12:
Ik zou er een 7413 inproppen daar komt een gave 10MHz blok uit zonder extra onderdelen.

Ik mis denk ik even wat het voordeel gaat zijn.

Ha rob040,

Ik had gisteren gevraagd of het mogelijk is om te meten zoals je uiteindelijk het signaal gaat gebruiken.
Dus soldeer een stukje kabel met een plug aan je DUT met een probe meten hoogohmig is niet fijn.....
Als je een goede verbinding heb dan pas kan je verder wel de scope afsluiten de S/T kan laagohmig belast worden dus,
een 50 Ω afsluitweetstand kan T-stuk of zo iets.
Kan je laten zie hoe je de ontkoppeling rond het IC heb gedaan ?
Voor @RAAF de 7413 is minder dan de moderne die @rob040 gebruikt.

Groet,
Henk.

Op 1 december 2023 18:09:38 schreef rob040:
[...]
Als ik de digitale uitgangen niet belast (dus open laat) is het ook foute boel. Loopt er dan zoveel stroom?

Er lopen geen amperes, maar wel een paar milliampere. In rust loopt er slechts een paar nanoampere. Zie datasheet. Je moet niet vergeten dat de omschakeltijd kort is. Slechts enkele nanosecondes.

Op 1 december 2023 18:09:38 schreef rob040:
Mijn gevoel zegt me dat deze viezigheid op de 5V rail niet normaal is.

Een modern scoopbeeld kan ik niet lezen, maar als de piek-piekspanning 308mV is, dan vind ik dat heel mooi.

[Bericht gewijzigd door ohm pi op vrijdag 1 december 2023 18:37:32 (25%)