VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Der chaotische Hauptfaden

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VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon ferrum » Fr 29. Dez 2017, 15:43

Hallo Miteinander,
Ich komme nach knapp nem halben Jahr(Zwangspause wegen Studium) wieder zum frickeln. Lange gehegtes Projekt selber was SSB fähiges zu bauen wird in Angriff genommen. Angefangen wird mit der VCO. Da mittlerweile ein SDR verfügbar ist hab ich mal angefangen das Signal von der VCO zu vermessen. Anfangs sah es ganz schlimm aus 40kHz rauschen konnte das dann auf eine instabile Versorgung zurückführen. Hab das dann durch Optimierung der Versorgung und Kreisgüte auf 1kHz heruntergebracht. Nur 1kHz Bandbreite ist jetzt nicht das was man sich von einer VCO vorstellt. Irgendwas mache ich furchtbar falsch. Hab dann mal einfach zum Spaß das Signal durch einen am Demodulator in GQRX gejagt es klingt weniger wie rauschen sondern eher wie Brummen. In der FFT lassen sich Peaks alle 50Hz erkennen deutet für mich darauf hin dass es vllt. irgendwas mit fehlerhafter Versorgung zu tun hat. So jetzt erst mal Schaltpläne und Bilder Dazu.
Das obere ist die VCO unten drunter sitzt ein 7809 zur Versorgung, sowie der AÜ der von 500Ohm auf 50 Transformiert. Links von der VCO ist in Zukunft mal eine PLL vorgesehen die den Langzeitdrift kompensiert. Zwischen den Anschlüssen kommt noch eine Quarz normal hin was den Refferenztakt für die PLL produziert.
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Das ist das was mir GQRX mit LimeSDR ausgespuckt hat breite von dem "Peak" ist ca. 1kHz breit die einzelnen Spitzen sind ziemlich genau 50Hz auseinander . Hab auch noch eine Aufnahme von dem AM demolierten Signal gemacht https://flo-e.de/VCO/Version2/audio.wav. Das klingt definitiv nicht nach Rauschen, also zu niedriger Güte, sondern eher nach irgendeiner Netz bezogenen Störung leider komme ich nicht drauf woran das liegen könnte.
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Zu guter Letzt noch die Schaltpläne
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon zauberkopf » Fr 29. Dez 2017, 16:14

hmmm...
Also das Oszillatorrauschen, wird eigentlich so gemessen :
Man nehme einen extrem rauscharmen Quarzoszillator, und schließe diesen an einen Mischer an.
An diesen Mischer hängt man dann noch seine Oszillator, und stimmt diesen so ab, das er die selbe Frequenz hat, wie der referenz Quarzsozillator.
Jetzt schaut man sich das NF-Spektrum am Mischer an.

Wenn Du jetzt einen guten VCO gebaut hast, kann der besser sein, als die PLL im Stick..
Test : Bastel Dir mal auf die Schnelle einen Batteriebetriebenen Quarzoszillator, und hänge diesen mal an den Stick dran.

Edit : Achja.. über einen abschwächer natürlich.
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon Chefbastler » Fr 29. Dez 2017, 16:51

Mach mal einen Kondesator direkt an deinem VCO-Controllpin gegen Masse hin. Du hast da einen sehr Hochohmigen breitbandigen Steuereingang gebaut, und eine lange Leitung übern Tisch dran. Wenn ich das richtig sehe. Da kannst du dir auch 50Hz Netzbrumm einfangen.


PS: Zur besseren Lesbarkeit, evtl. nicht so kleine Schaltungsteile auf so viele Seiten verteilen. ;)
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon Bastelbruder » Fr 29. Dez 2017, 17:30

Oszillatorrauschen mißt man indem man das Signal in zwei Pfade aufteilt, einen Pfad mit einer Verzögerungsleitung (z.B. ein paar Meter Koax) versieht und dann beide Signale in einem Mischer verwurstet. Der Gleichstromanteil ist die Phasenverschiebung durch die Verzögerungsleitung, die Amplitude das quadrierte Amplitudenrauschen und die restlichen Ausgangsprodukte sind das Phasenrauschen.

Brummen hätte ich bei dem offenen Aufbau auch erwartet.
12 µH brauchen für 4,33 MHz ganze 112 pF, davon ist stark die Hälfte in den Kapazitätsdioden versteckt. Die Abstimmspannung liegt also bei einem Volt. Schätze einfach (oder Meß das) mal wie hoch die Frequenzmodulation ist wenn da bloß 100 µV Brummspannung eingespeist werden...

Der Ausgang eines 78er Spannungsreglers muß mindestens noch mit 10 Ohm und 100 µF gesiebt werden bevor man damit einen Oszillator betreibt. Warum ist R4 soo groß? Mach den aktiven Teil niederohmig und runter mit der Betriebsspannung damit die Wechselspannung am Kreis nicht zu groß wird.
Ein LM317 rauscht weniger als jeder 78er wenn er bloß 3 Volt stabilisieren muß. Und wenn die Schaltung dann irgendwann einigermaßen funktioniert, kann man sich noch Gedanken zum Feintuning machen, aber erst dann. Das Faulheitszeichen [9V] ist genauso Kacke wie das [GND], egal wie man es zeichnet.

Lies' mal die Ausführungen über rauscharme Oszillatoren im Quarzkochbuch (Kapitel 6,7,8). Was für Quarzoszillatoren gilt, gilt auch für andere Resonatortypen.
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon zauberkopf » Fr 29. Dez 2017, 23:31

Hab gerade ein schräge idee... muss ich morgen mal testen :
Könnte ein Quarz-Audion, also eine Selbstschwingende Mischstufe, brauchbar sein ?!
Wegen Oszillator Rauschen..

Für einen Versuch bräuchte ich dann 2 Quarze, 2 Transistoren für einen Quarzoszillator(Referenz) und die "Selbstschwingende Mischstufe".
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon ferrum » So 31. Dez 2017, 14:20

So hab mal versucht umzusetzen was ihr gemeint habt. Um auszuschließen dass es sich um einen Messfehler handelt hab ich einen Quarzoszillator an den SDR geklemmt. Zeigt mir wie zu erwarten war eine schöne Linie an(Breite von der Doppelten minimalen Frequenzauflösung der FFT).
Also es ist mmn. Brummen und kein rauschen deswegen ist das rauschen vorerst mal egal die Optimierung diesbezüglich machen erst Sinn wenn man das brummen weg hat. Auf den Eingang von der VCO hab ich erst mal 100nF keramisch und dann 10uF Keramisch angelötet, die langen Leitungen hab ich durch was kurzes ersetzt und auf die geregelte Spannung geklemmt (davor war es auf der ungeregelten) sind jetzt noch ca. 4cm Leitungsweg. Das hat das Brummen von 1-1,5kHz auf ca. 750Hz reduziert.
Weiter hat es dann noch was gebracht vor den 7809 noch einen 1mF Elko einzubauen das hat das ganze auf 500Hz reduziert.

Hab mir dann ausgerechnet wie hoch die Brummspannung am VCO Eingang sein müsste um eine FM in dieser Größenordnung zu verursachen. Bin auf ca. 750µV gekommen. Hab das versucht messtechnisch zu verifizieren ganz so einfach ist es dann leider doch nicht weil so eine 1m Messleitung doch ganz schöne Probleme bei der kleinen Spannung macht. DMM zeigt deswegen mmn nur Murks an und fürs Oszi ist es zu wenig Spannung. Ich lasse mir da noch was einfallen wie das besser gehen könnte.

Bezüglich Siebung der Versorgungsspannung geschieht dies durch R3 und C9 obwohl ich C9 gut noch ein Stückchen Größer machen könnte. Ein Effekt den ich nebenbei beobachtet habe wenn ich alles komplett Masse frei mache also über Batterie Versorgt und Laptop mit SDR vom Netz abgeklemmt beträgt die Bandbreite des Brummens noch 150Hz. Erklären kann ich mir das nicht ganz weil eigentlich die HF über einen AÜ Galvanisch vom Rest der VCO getrennt ist. R3 hab ich so groß gemacht weil er den Schwingkreis belastet je größer R3, R5, R6 und RV1 desto größer ist die Kreisgüte und damit sinkt die Bandbreite mmn. oder ist das falsch gedacht? Optimal ist das so definitiv nicht das brummen muss möglichst komplett weg.

PS: Ich bitte zu entschuldigen dass die Schaltpläne evtl. nicht ganz Normkonform sind hab mir das alles selber beigebracht und dabei hat sich vllt. die ein oder andere Macke eingebürgert die unschön sein könnte.
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon Bastelbruder » So 31. Dez 2017, 16:01

Die Schaltpläne sind gut und noch nachvollziehbar. Vielleicht ein bißchen Auseinandergerissen, aber noch viiel besser als die Mischung aus Kotzbrocken mit Schleimfäden die man uns heute unter dem Namen EPLAN kredenzt.

Zur Schwingkreisgüte:12 µH hat bei 4,33 MHz ein XL von 327 Ohm. 1200 mm Draht kommt auf 0,25 Ohm. Dazu 0,18 Ohm in den Kapazitätsdioden, dann könnte eine Kreisgüte von 1000 entstehen wenn nicht Skin- und Proximityeffekt und der Verlustwiderstand der keramischen Scheibchenkondensatoren wären. Also ein Resonanzwiderstand von (im Traum) 300 Kiloohm. Da sind die ohmschen Zuführwiderstände pures Gift. Aber auch die ohmschen Widerstände die im Transistor und seiner Basis-Emitterdiode versteckt sind. Und der Serienwiderstand zur CB-Rückwirkungskapazität.

Tatsächlich ist das aber noch viel schlimmer, denn:
Die Sekundenkleberspule mit 0,3mm CuL auf 10mm Durchmesser hat mit 37 Windungen (es gibt keine halbe Windung außer die umschlingt nur die Hälfte der Feldlinien) und geschätzten 13 mm Länge gerade mal 8 µH. Bei 4,33 MHz gibt das ein XL von 218 Ohm. Für eine freitragende Spule errechnet mein CAD-System (solenoid.exe - G4FGQ März'98) einen effektiven Draht-Verlustwiderstand von 3,1 Ohm, daraus ergibt sich eine Spulengüte von gerade mal 218/3,1 = 70. Siebzig! Ohne weitere Verluste würde der Resonanzwiderstand des Kreises bei 218*70 = 15.3 kiloOhm liegen. Und parallel dazu ist ein 50 kilo-Widerstand nicht wirklich störend...
Die erforderliche Kreiskapazität von 167 pF teilt sich auf in 20 pF (C2), 18 pF (C4..6), 12 pF (C3, geschätzt) 2 pF in der Spule, 5 pF Leiterbahnen (ich rechne bei 0,8mm Platinenstärke mit 6 pF/cm²) und 112 pF der Kapazitätsdioden. Das könnte mit null Volt Abstimmspannung gerade so hinhauen.

Rechne mal mit einer tatsächlichen Leerlaufgüte von 60.
Was ich auf den Fotos noch nicht gefunden habe sind der Trimmer und die Kapazitätsdioden.
Wie hoch ist die Abstimmspannung? Die HF wird in den Dioden gleichgerichtet (ja, die logarithmisch verlaufende Schwellspannung von Siliziumdioden produziert mit 7,5 nA einen Spannungsabfall von 750µV am 100 k-Zuführwiderstand. Dieser Strom wird bei einer HF-Spitzenspannung von geschätzten 0,2 Volt problemlos erreicht. Und schon wird aus einer nicht nennenswerten Amplitudenmodulation eine erhebliche Frequenzmodulation. Auch und gerade wenn die Abstimmspannung "hart auf Masse" geklemmt ist.
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon ferrum » So 31. Dez 2017, 17:36

C3 und die Kapazitätsdioden sind SMD die sitzen auf der Unterseite
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Abstimmspannung sind 0,7V Spannung über R4 sind 0,1V Spitzenspannung. macht dann hochgerechnet(Spannungsteiler mit den Blindwiderständen) auf den Kreis 0,55V. Glaub dass die Induktivität höher ist weil der Abstand des Zentrum des Drahtes sind 5,15mm(Wickelkörper sind 5mm plus spule ist 15mm lang damit komme ich auf 10µ. Das kommt mmn. mit den 0,7V Abstimmspannung ganz gut hin. Hab mal probiert den Widerstand am Eingang von 100k auf 10k zu setzten in der Bandbreite hat sich nichts getan bleibt unverändert zu hoch. R4 hab ich da der ja scheinbar zu groß sein soll von 330k auf 56k gesetzt das hat es nur noch verschlimmert und den FM verdoppelt. Hab auch mal versucht mit höherer Spannung den 7809 zu Versorgen falls dem 3V Spannungsdifferenz zum regeln zu wenig sein sollten hat auch nichts gebracht. Bin mir jetzt nicht sicher woran das liegt mein nächster schritt wäre jetzt die Versorgung mit mehr abblockkapazität und niedriger Spannung neu aufzubauen und das ganze in dem eh schon geplanten Schirmgehäuse unterzubringen.
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Re: VCO Rauschbandbreite oder wie auch immer man das nennt

Beitragvon Bastelbruder » So 31. Dez 2017, 23:52

Die Spannungsverhältnisse am Kreis dürften so passen. Aber die Verstärkung ist irgendwie nicht ausreichend, mir fehlt der Faktor 1,5 damit der Oszillator überhaupt schwingt. Wie kann das sein? OK, die HF-Spannung darf nicht zu groß werden um nicht mit der unsittlich geringen Abstimmspannung zu kollidieren. Aber ich bringe den Oszillator nicht zum Schwingen.

Vor noch nicht allzu zu langer Zeit haben nicht nur Funkamateure genau das Prinzip der "gerade so" ausreichenden Rückkopplung genutzt um dem Oszillator eine maximale Empfindlichkeit gegenüber der in der Gegend umherschwirrenden Signale zu geben. Man nennt das Prinzip "Audion".
Es ist zwar kein explizit mit "Antenne" bezeichnetes Bauteil vorhanden, aber die Spule hat ein bidirektionales Streufeld, die "Masse" ist völlig kontraproduktiv und die Gleichstromversorgung des Transistors, einstellbar auf 0..30 µA viel zu unspezifiziert. Warum und wodurch die Amplitude dieses Oszillators auf 100 mV am Ausgang stabilisiert wird kann ich nicht sehen, aber es wird irgendeine Nichtlinearität schuld sein.

Ein rauscharmer Oszillator mit geringem Phasenrauschen braucht einen rauscharmen Verstärker. Gute rauscharme Mikrofonverstärker werden mit BC109C, BC549C oder äquivalent gebaut, der Betriebsstrom ist hart eingeprägt mit 100 µA, der Basis-Eingangswiderstand ist 500 mal dem Emitterwiderstand. PNP-Transistoren sollen noch etwas weniger rauschen, ziemlich sicher hat das was mit höherer Dotierung und dem verringertem Basisbahnwiderstand zu tun.
Wenn damit ein Oszillator gebaut wird muß man sich Mühe geben daß er nicht schwingt. Die HF-Amplitude läßt sich begrenzen indem man eine (aktive) Verstärkungsregelung einbaut, dann landen wir irgendwann wieder beim Audion. Dazu später mehr.

Im "Schultheiß" Ausgabe 1969 (hab ich mit dreizehn vom Opa zu Weihnachten bekommen 8-) ) war der Selbstbau eines damals zeitgemäßen SSB-Transceivers beschrieben, der freischwingende Transistor-VFO hat auf Anhieb funktioniert, er war stabil, hat nicht nennenswert gerauscht oder gar gebrummt. OK, er hatte keine unsittlichen Kapazitätsdiodenprobleme. Und er hat so ausgesehen:
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Der Oszillatortransistor wurde mit 2,5 mA betrieben, der Strom ist mit Einsetzen der Schwingungen sogar noch etwas angestiegen und die Amplitude wurde begrenzt weil der Transistor irgendwann in die Sättigung kam.
Und warum ist der Oszillator stabil und rauscharm? Weil durch einen (relativ) stabilen Arbeitspunkt und stabilen Verstärkungsfaktor der Kreis und seine angeschlossenen Lastwiderstände soweit entdämpft werden - es ist quasi ein negativer Widerstand parallel zu den Wirkwiderständen geschaltet - daß in Summe die Betriebsgüte größer ist als die Leerlaufgüte ohne Verstärker. Daß tausende Funkamateure sich durch das "System Clapp" haben blenden lassen steht auf einem anderen Blatt.

Zur Masse: Die verschiedenen Faulheitssymbole verleiten immer wieder zu Falschannahmen, Tatsache ist daß HF-Strom immer den kürzestmöglichen Weg sucht. Da ist schnurz wie breit die Massefläche ist.

Etwas EMV-Design: Der Oszillator ist dann richtig gebaut wenn alle Punkte des Schwingkreises als "heiß" betrachtet und entsprechend miteinander verdrahtet werden. Hier ist der "zerrissene" Schaltplan sogar hilfreich. Denn die 4 Anschlüsse werden mit nur 4 Drähten weiterverbunden. Der VCO hat 5 Anschlüsse, von denen allein der Sternpunkt "GND" mit zwei Drähten angefahren wird. Und erst der zweite GND führt zur Abschirmung an der Stelle wo die Hochfrequenz ausgeführt wird. Der Begriff Sternpunkt wurde schon zur Röhrenzeit jedem Bastler eingebläut, bloß gabs mangels entsprechendem Wissen meist keine sinnvolle Erklärung dazu. Die fand sich nicht im Schultheiss und auch nicht im ARRL-Handbuch. Aber man hat den zentralen Stützpunkt inmitten eines jeden besseren Röhrensockels genutzt und meist ist es gut gegangen.
Der Kondensator C7 verbindet die schwebende Masse des Oszillators mit der 9 Volt-Leitung und legt eine zweite Hochfrequenzmasse bis zum nächsten Stützkondensator. Das geht so nicht, der Kondensator gehört in dieser Beschaltung zur Stromversorgung außerhalb des Oszillatorkäfigs. Mit einem zusätzlichen Widerstand, 10..100 Ohm in der Spannungszuführung reichen, wird diese falsche HF-Masse abgetrennt und der Gleichstrom kann trotzdem weiter fließen.

Im Quarzkochbuch ist beim Oszillatorbau aus MMICs kurz beschrieben wie man mittels antiparalleler Schottkydioden die Schwingungsamplitude begrenzen kann. Das funktioniert auch hier, allerdings würde ich das nicht durch Kurzschließen besorgen sondern durch spannungsabhängige Strombegrenzung wie sie im FM-Modulationsbegrenzer geschieht. Der Vorteil ist daß die Schwingung nicht verzerrt wird (Uhrpendel schlägt gegen's Gehäuse) sondern daß der Antrieb auf einen kleinen Teil des Wegs reduziert wird wie bei der Kinderschaukel. Dann ist die Amplitude zwar wieder abhängig von der Kreisgüte, aber die meiste Zeit wird der Kreis in Ruhe gelassen und darf dann wie im Lehrbuch seinen reinen Sinus produzieren. Der Begrenzer kommt in die Leitung OSC1 zwischen VFO und Resonator.

Und ziemlich sicher ist es sinnvoll, die Spannung an den Kapazitätsdioden zu erhöhen. In allen bekannten Schaltungen ist bei 1,5 Volt Schluß, sogar bei den billigsten CB-Geräten. In diversen Kofferradios und Breitband-Spannempfängern hat man Spannungswandler für 30 Volt eingebaut. Beim Militär sogar über 100 Volt mit speziellen Kapazitätsdioden. Zauberkopf hat da so ein chaotisches Spezialteil, das wohl von englischen Funkamateuren mit unbegrenztem Budget konstruiert wurde...
Und es spricht nichts gegen eine vernünftige Abschirmung der Spule. Doppelter Durchmesser und doppelte Länge, nahtlos aus dünnem Kupferrohr, innen möglicherweise versilbert. Die niederohmige Kurzschlußwindung bewirkt daß die hochfrequenten Feldlinien innerhalb der Windung zurückkehren müssen. Güte und Induktivität werden so kaum nennenswert beeinflußt, aber die Magnetantenne ist weg.

Und mach mal Versuche mit LTspice, das ist ein wirklich brauchbares Programm, sogar für ernsthafte HF-Simulation. Prof. Gunthard Kraus zeigt daß und wie es geht.
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