Warsztatowy generator OCXO 10 MHz

Dzięki zastosowaniu nowoczesnego, ale jeszcze względnie taniego generatora stabilizowanego termicznie (OCXO od ang. Oven Controlled Crystal Oscillator) możliwe jest zachowanie tolerancji generowanej częstotliwości na poziomie ±1 ppm (po starzeniu), przy wysokiej stabilności długookresowej. Moduł w praktyce zastąpił problematyczny i tani, chiński generator oparty na OCXO typu OSC5A2B02. Wbudowany szybki bufor o czterech wyjściach pozwala na współpracę z wejściami 50 Ω, a dedykowane wyjście LVC33V – ze wzmacniaczami dystrybucyjnymi z wbudowanym filtrem dolnoprzepustowym lub z dodatkowymi dzielnikami częstotliwości 10 MHz. Układ zasilany jest za pomocą typowej ładowarki USB-C lub powerbanka, co umożliwia zastosowania mobilne.

Schemat warsztatowego generatora OCXO 10 MHz pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat generatora

Jako źródło częstotliwości wzorcowej zastosowano generator OCXO typu AOC97 firmy Abracon. Jest to aktualnie jeden z tańszych nowych generatorów OCXO, cechujący się wysoką stabilnością, typowym zasilaniem 3,3 V, a także niewielkim poborem mocy, który nie przekracza 2,1 W, co ułatwia zastosowania mobilne. Generator AOC dostępny jest w kilku typowych wariantach częstotliwościowych z zakresu od 10 MHz do 48 MHz. W modelu zastosowano generator AOC o częstotliwości 20 MHz, która podlega podziałowi przez dwa w układzie przerzutnika U1 typu LVC1G74. Podział podyktowany jest koniecznością uzyskania wypełnienia przebiegu wyjściowego równego 50%, gdyż – podobnie jak większość generatorów – pomimo zachowania stałej częstotliwości, wypełnienie przebiegu może, zgodnie z kartą katalogową, zawierać się w przedziale 45...55%, co nie zawsze jest korzystne. Po podziale sygnał 10 MHz buforowany jest przez U2 typu LVC2G34. Jedno z wyjść bufora (1Y) wyprowadzono na gniazdo OUT5 typu SMA, skąd może zostać podłączone do wzmacniacza dystrybucyjnego (także opisanego w tym numerze EP) lub dzielnika częstotliwości. Należy zwrócić uwagę na możliwie krótkie połączenia wyjścia OUT5, maksymalnie 5...10 cm, oczywiście ekranowanym przewodem kompatybilnym ze złączami SMA, np.: RG316, RG402 czy RG405. Drugie z wyjść U2 (2Y) podłączono do specjalizowanego układu U3 – bufora sygnału zegarowego typu 551S. Układ dysponuje czterema wyjściami wyprowadzonymi na gniazda OUT1...4. Bufor cechuje się niskim jitterem, dobrym wyrównaniem czasowym wyjść oraz dużą szybkością narastania zboczy.

Generator zasilany jest poprzez gniazdo USB-C za pomocą typowej ładowarki lub powerbanka. Obwody zasilające są dosyć rozbudowane. Napięcie wejściowe V50 (+5,0 V), po zabezpieczeniu przeciwprzepięciowym diodą TVS1 i filtracji za pomocą elementów L1, CE2 i CE3, doprowadzane jest do stabilizatora wstępnego LDO U4 typu MIC29302. Układ stabilizuje napięcie V36 (+3,6 V), którego wartość ustalona jest dzielnikiem R11,12. Szyna V36 zasila z kolei stabilizatory napięć 3,3 V o numerach U5 i U6. Dioda LD sygnalizuje obecność napięcia na linii V36.

Układ niskoszumnego stabilizatora LDO typu ADM7172-3.3V (U5) stabilizuje napięcie V33O (+3,3 V) zasilające tylko generator OCXO. Wydzielony regulator ma zapewnić stabilne napięcie 3,3 V dla minimalizacji zmian częstotliwości OCXO, związanych z ewentualnymi wahaniami napięcia zasilania. Generator AOC nie ma odrębnego wyprowadzenia do zasilania wbudowanej grzałki, więc istotne jest, by stabilizator zapewniał stabilne napięcie zasilania w całym zakresie pobieranego prądu, niezależnie od tego, czy grzałka aktualnie pracuje, czy też pozostaje wyłączona.

Stabilizator LDO U6 typu TPS7A2033 zasila dzielnik i bufory cyfrowej części układu generatora. Odpowiednie filtry FBx/Cx odsprzęgają poszczególne stabilizatory i OCXO. Zastosowanie stabilizatora wstępnego U4 podyktowane jest koniecznością zmniejszenia mocy strat w układach U5 i U6, dla zapewnienia optymalnych warunków pracy. Stabilizator U4 wyposażony jest w niewielki radiator SMD.

Układ generatora wykonany jest na czterowarstwowej płytce drukowanej. Rozmieszczenie elementów przedstawiono na rysunku 2. Montaż układu nie wymaga opisu, należy jednak zwrócić uwagę na prawidłowe lutowanie OCXO, aby nie pogorszyć jego właściwości. Dla zmniejszenia poboru mocy na straty cieplne, możliwe jest oklejenie OCXO małymi fragmentami pianki izolacyjnej. Frezowanie PCB w okolicach generatora zmniejsza natomiast rozpraszanie ciepła przez laminat. Zmontowany moduł przedstawiono na fotografii tytułowej.

Rysunek 2. Rozmieszczenie elementów

Płytka przystosowana jest do montażu w obudowie z panelem 1455C801 marki Hammond, poddanej drobnym modyfikacjom tworzywowych boków.

Po poprawnym montażu i podłączeniu zasilania 5 V do gniazda USB-C, na każdym z wyjść powinien być dostępny sygnał 10 MHz o wypełnieniu 50% i amplitudzie 10 dBm.

Układ generuje sygnał od razu po włączeniu zasilania, jednak stabilizacja termiczna OCXO zajmuje ok. 3 minut. Przykładowy przebieg wyjściowy z wyjść OUT1...4 na obciążeniu 50 Ω przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3. Przebieg wyjściowy generatora

Rzeczywisty czas narastania i opadania zboczy jest nieco krótszy, gdyż ogranicza go terminator przepustowy 50 Ω, konieczny przy pomiarach oscyloskopem bez wbudowanej opcji Zwe=50 Ω.

Adam Tatuś, EP