Eliminierung von Netzbrummen durch frequenzmodulierte HF-LC-Oszillatoren

Ich versuche, einen frequenzmodulierten LC-Oszillator zu bauen, aber alle Schaltkreise, die ich ausprobiert habe, haben nach der Demodultaion ein fürchterliches Netzbrummen.

Der Oszillator wird durch einen kapazitiven Sensor abgestimmt, aber ich verwende stattdessen einen festen Kondensator, bis ich dieses Problem löse. Ich habe verschiedene Topologien ausprobiert: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley bei verschiedenen Frequenzen von 60 bis 500 MHz, aber es gibt keinen Unterschied zwischen ihnen in Bezug auf das Netzbrummen. Ich verwende einen SDR-Empfänger für die Demodulation. Er funktioniert einwandfrei und kann keine Brummquelle sein. Die Verwendung eines Akkus anstelle einer Wechselstromversorgung hat nicht geholfen. Zur Entkopplung verwende ich Kondensatoren mit 10 µF und 10 nF. Die Verwendung kleinerer Induktivitäten hat ein wenig geholfen, aber das Rauschen ist immer noch nicht akzeptabel.

Wie in den Kommentaren vorgeschlagen, habe ich alle Schaltungsknoten mit und ohne Stromversorgung der Schaltung getestet und die 50-Hz-Komponente erscheint nur am Antennenausgang.

Hier sind einige Leiterplattenzeichnungen, vielleicht gibt es Fehler beim Routing?

Abb. 1: Vackář-Topologie, der Transistor ist BF545C

Abb. 2: Franklin-Topologie, beide Transistoren sind ATF-38143

[UPD:]

Laden Sie mein Setup und meine Schaltpläne wie gewünscht hoch. Das Setup ist nur ein SDR-Empfänger und der Oszillator mit einem Stück Draht am Ausgang als Notantenne. Der kapazitive Sensor C _var fehlt, da ich stattdessen einen festen Kondensator C ₄ verwende.

Abb. 3a:

Abb. 3b:

Abb. 3c:

[UPD2:]

Das SNR bei 50 Hz beträgt 4,3 dB. Die maximale Frequenzabweichung für den Franklin-Oszillator beträgt 290 kHz, die Ausgangsleistung 7,8 dBm und der Empfangssignalpegel –26 dBFS. Die Erdung des Laptops macht keinen Unterschied.

[UPD3:]

Ich habe ein neues Board mit einer Massefläche und einem Neusilber-EMI-Schild hergestellt. Ich habe einen 1,8 V LD1117-Regler und Entkopplungskondensatoren mit 100 pF und 390 pF NP0 hinzugefügt - und immer noch kein Glück. Es gibt keine wesentlichen Änderungen im Geräuschverhalten. Leider konnte ich keine Eisenbox finden, um die gesamte Schaltung einzubauen, aber ich bin mir fast sicher, dass es einige clevere Schaltungs- und PCB-Designtechniken gibt, die keine magnetische Abschirmung erfordern. Zum Beispiel habe ich den SDR-Empfänger auf einem billigen, nicht abgeschirmten FM-Sender getestet: Es gibt überhaupt kein Brummen, auch wenn die Lautstärke maximal ist, so dass der Schuldige definitiv die Schaltung und das PCB-Design ist.

Hier sind ein paar Fotos von der Platine (Entschuldigung für das Flux, ich habe versucht, es zu entfernen, aber es ist fehlgeschlagen)

Abb. 4a:

Abb. 4b:

Abb. 4c:

Außerdem habe ich, wie in der folgenden Antwort vorgeschlagen, eine ZF von meinem SDR-Empfänger aufgezeichnet und dessen Spektrum bei niedrigen Frequenzen erzeugt.

Abb. 5a: Ohne EMI-Abschirmung

Abb. 5b: Mit dem EMI-Schild

[UPD4:]

Das ist interessant.

Durch Erhöhen von C ₄ (siehe Abb. 3c) wird das Rauschen erheblich reduziert. Betrachten Sie die demodulierten Signalspektren (die 440-Hz-Komponente ist ein vom Sensor für die SNR-Messung aufgezeichnetes Testsignal):

Fig . 6A: C ₄ = 1,5 pF

Fig . 6B: C ₄ = 2,7 pF

Leider habe ich keine weiteren Kondensatoren im Bereich zwischen 1 und 10 pF für weitere Tests (der Oszillator startet nicht mit C ₄ ≥ 10 pF). Ich vermute, dass das Netzrauschen von Leiterplattenspuren und L aufgenommen wird _{2 aufgenommene} die Gate-Kapazität von J ₁ ändert und das Erhöhen des Werts von C ₄ den Einfluss dieser Änderungen auf die Frequenz verringert. Dies wird auch durch Hinzufügen einer starken Geräuschquelle bestätigt, z. B. eines Mobiltelefons, das einen Anruf tätigt. In Abb. 6c sind große Spitzen zu sehen, und die Frequenz steigt tatsächlich an, wenn ich eine Rauschquelle hinzufüge, was bedeutet, dass die Gatekapazität von J ₁ umgekehrt proportional zur Spannung ist. Für mich ergibt das Sinn. Scheint, als müsste ich entweder die Kopplung zwischen J ₁ reduzieren und LC-Tank oder einige Hochpassfilter zwischen ihnen, aber ich bin nicht sicher, was der beste Weg ist, es zu tun.

Abb. 6c:

Gomunkul (in Kommentaren) & @ user287001 hat möglicherweise das meiste Brummproblem gelöst:

Es ist wahrscheinlich Ihre Sonde oder die Antenne, die das Brummen aus der Luft auffängt, da der Kondensator für 50 Hz ein offener Stromkreis ist.

C6 kann ein Kondensator schlechter Qualität sein, der die Kapazität mit der Spannung variiert:

• Verwenden Sie hier einen guten C0G-Kondensator (100 pF sind wahrscheinlich zu viel) oder einen für Mikrowellen geeigneten.

• Schließen Sie die Antenne mit einem Erdungswiderstand an, um das elektrische Feld über C6 zu verringern, das von nahegelegenen 50-Hz-Geräten und Lichtern induziert wird.

• Fügen Sie eine Pufferstufe mit einem schönen niedrigen S12 zwischen Oszillator und Antenne hinzu.

Es gibt einen anderen möglichen Brummmechanismus, etwas weniger wahrscheinlich ....
Dieser Oszillator mit Antenne kann als ein roher Direktumwandlungsempfänger betrachtet werden: Seine Oszillationen dienen als lokaler Oszillator des Empfängers. Mit solchen Niederspannungs-Gleichvorspannungen können die aktiven Vorrichtungsübergänge dieses Oszillators signifikante Kapazitätsänderungen mit Änderungen der Spannung aufweisen. Wenn an einer Kreuzung sowohl ein gesendetes (starkes) als auch ein empfangenes (schwaches) Signal zu sehen ist, kann die Vorspannung in Abhängigkeit von der Phasenbeziehung zwischen den beiden Signalen variieren.

In einiger Entfernung empfangen einige Diodenübergänge möglicherweise ein von Ihrem Oszillator gesendetes Signal. Wenn diese Verbindungen beim Gleichrichten des 50-Hz-Netzes ebenfalls ein- und ausgeschaltet werden, senden sie erneut 50 Hz. moduliertes Signal über Drähte oder Leiterbahnen zum Oszillator zurück. Bei UHF wird sogar ein kurzer Draht zu einem gekoppelten Antennenelement in diesem 2-Element-System. Die 50 Hz modulierte Diode kann eine Phasenänderung zurück in den Oszillator einspeisen. Es ist bezeichnenderweise voller Oberschwingungen, da diese 50-Hz-Dioden relativ schnell ein- und ausgeschaltet werden. Die 50-Hz-Harmonischen Ihres Spektrums scheinen ziemlich stark zu sein.
Gleichstromversorgungs-Gleichrichterdioden sind häufig die Quelle.
LED-Beleuchtungsschaltungen könnten eine andere Quelle sein.
Die Schaltfrequenz Ihres Mobiltelefons unterstützt diese Theorie ebenfalls.

Sie können dieses Phänomen mit der folgenden (unvollständigen) Schaltung testen:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Der Halbwellendipol wird für die UHF-Frequenz des zu testenden Oszillators abgeschnitten. Seine Diode verbindet jedes 1/4-Wellenelement. Ein 1-kHz-Funktionsgenerator könnte zum Ein- und Ausschalten der Diode anstelle eines 555-1-kHz-Oszillators verwendet werden. Wenn diese "Moskito" -Schaltung mit der Antenne des Senders gekoppelt ist, kann ein Überwachungsempfänger (AM PM oder FM) das 1-kHz-Signal erfassen. Wenn Sie diesen "Moskito" -Kreis vom zu prüfenden Oszillator entfernen, sollte die akustische Ausgabe des Überwachungsempfängers verringert werden.

Abgesehen davon: Der gleiche Kopplungsmechanismus ist manchmal auch bei Doppler-Radar- und Bewegungserkennungs-Diebstahlalarmen vorhanden. In diesem Fall ändert sich die Phase, wenn der Abstand des reflektierenden Signals vom UHF-Signaloszillator abweicht.
Möglicherweise erhalten Sie weitere Einblicke, indem Sie "stimmbares Brummen" oder "stimmbares Brummen" googeln.

Ihr Schaltplan ist im realen physischen Modell ungenau, sodass er in Ihrem Schaltplan nicht wie erwartet funktioniert.

Zum Beispiel beträgt Ihre Entkopplungskappe mit 0,1 uF etwa 20 nH in den 2 Kabeln mit einer Dicke von 2 cm und 1 mm (est) und einer Schienenlänge von 1 cm. In der Zwischenzeit verwendet Ihr Resonator 33nH, daher weist Ihr Netzteil eine schlechte Impedanz auf, und wie andere empfehlen, sind möglicherweise 100 pF in einer kleinen SMD-Kappe erforderlich. Das Gesamtlayout ist ohne Grundplatte zu groß und weist daher eine große Schleifenantennenfläche zum Abstrahlen und Empfangen von elektrischen Streufeldern auf.

Ich stimme zu, dass der größte Teil Ihres Brummens auf das große Layout> 5% einer Wellenlänge für Versorgung, Masse und Leitungsschleifen zurückzuführen ist. Dies ist anfällig für abgestrahlte Geräusche und leitungsgebundene Bodengeräusche. Die Verwendung eines RF CM-Baluns oder einer RF CM-Drossel ist für die Entkopplung Ihrer Gleichstromversorgung von der Wechselstrommasse zusätzlich zu einer RF-Kappe, vorzugsweise einer 100pF-NPO-Kappe für den niedrigsten ESR, unerlässlich.

Ohne einen sehr schmalen ZF-Band-Spektrumanalysator (<100 Hz) zur Untersuchung von MW und UKW ist es unmöglich festzustellen, wie viel Rauschen in Ihrem SDR und wie viel im Tx vorhanden ist. In beiden Fällen liegt das Brummen jedoch hauptsächlich in Ihrem LCO-Design und den Gleichstrom- / Rückleitungspfaden. Wenn Sie ein Labor-RF-Gen hatten. Dann können Sie Ihren SDR und eine gute RF SA validieren, um Ihre Rauschquelle zu validieren.

Als wir Mitte der 90er Jahre VCOs für das 928-MHz-ISM-Band herstellten, fertigten wir kundenspezifische Keramikhybride mit Metalldeckeln, die über den Hybrid gelötet wurden und auf ein GETEK FR4-Substrat mit einer anderen Masseebene> 60 dB CNR (Träger-Rausch-Verhältnis und niedrige Phase) gelötet wurden Rauschen für eine 6-kHz-Tx-Bandbreite, die für die automatisierte 2-Wege-Zählerablesung verwendet wird.

• Die Dielektrizitätskonstante, der Substratverlust und die Abschirmkapazität spielten alle eine Rolle bei der Konstruktion, und ich erinnere mich, dass zu der Zeit 603 NPO der Größe 47 pF mit zweistufigem RC LPF verwendet wurden, um das Versorgungsrauschen auf 10 Ohm zu reduzieren, und dann eine Konstruktion mit geringer Versorgung verwendeten Empfindlichkeit mit Stromquellen im Gegensatz zu diesem. Jetzt stellt Murata niedrige ESL-Grenzwerte von 100 pF oder mehr her, um dieses Spektrum abzudecken, das breiter als lang ist.

Lektionen zu lernen

• Berechnung und Messung von Induktivität, ESL und ESR von Gleiskabeln und passiven Bauteilen.
• So validieren Sie RF mit einer SA, um die Grundursachen von Rauschen zu isolieren.
• Wie Sie anhand der Wellenleitertheorie, der kontrollierten Impedanzen, des Übersprechens und der Antennenempfindlichkeit herausfinden, wie kritisch das Layout mit Optionen für Erdungsebenen, Streifenleitung, Mikrostreifen und Abdeckungsschirme ist und wie Sie die spektrale Reinheit mit Resonatoren mit höherer Güte verbessern können und Versorgungsentkopplung mit niedrigem Q mit CM-Unterdrückung.
• Dies ist nur ein Anfang und das Fachwissen macht gute HF-Konstrukteure mehr wert als andere. (Ich betrachte mich nicht als einen, aber ich habe von den Besten gelernt, um zu wissen.)

Letzte Worte

Wenn Sie das Ohmsche Gesetz für HF mithilfe von Taschenrechnern für die Impedanz von Leiterbahnen, Drähten und die Kopplungskapazität zwischen Streifenleitungen beherrschen, können Sie besser verstehen, wie Sie mit einem Balun die CM-Impedanz erhöhen und dann mit Nebenschlusslasten dämpfen, während Sie die Differenzimpedanz steuern. Dies gilt sowohl für 1-GHz-PHY-Netzwerke als auch für Ihre Oszillatorkonstruktionen. Sie können also ähnliche Konstruktionen beobachten, um diese Merkmale zu erkennen und Impedanzverhältnisse und die Güte des Resonators anzuwenden, um das resultierende SNR zu steuern. Es ist alles in den komplexen Impedanzverhältnissen wie einer zweidimensionalen Version des Ohmschen Gesetzes mit reaktiver Impedanz, dann sieht es mit Antennenapertureffekten einfacher aus. (Richtantenne)

Wenn kleinere Spulen helfen, fängt Ihr Stromkreis wahrscheinlich Magnetfelder ab. Sie können in der Nähe von Transformatoren oder Leuchtstofflampen ziemlich stark sein.

Ihr Sensor kann sich bei 500 MHz nur auf Ihrer Platine befinden. Ich denke, es spürt Beschleunigung, Feuchtigkeit, etwas Gas oder Druck. Sie können Ihren Schaltkreis wahrscheinlich in eine dicke Weicheisenbox legen, die die externen Magnetfelder kurzschließt, selbst wenn einige Löcher für die erforderliche Verbindung zur Außenluft vorhanden sind. Sie benötigen einen lokalen Spannungsregler, um die AC-Felder von der 2VDC-Betriebsspannung fernzuhalten.

Synchronisieren Sie Ihr Oszilloskop mit der Netzstromversorgung und sehen Sie, wie stabil das Brummen auf dem Oszilloskopbildschirm ist. Wenn dies nicht der Fall ist, schwingt Ihre Schaltung selbst mit etwa 50 Hz.

Teste auch, ob deine Schaltung mechanisch mikrophonisch ist. Ich habe einen Sender gemacht, der (ungewollt) ziemlich schwache Vibrationen aufnimmt.

Sie haben geschrieben: "50 Hz Wechselstrom ist nur am Antennenausgang vorhanden." Wahrscheinlich ist es Ihre Sonde oder die Antenne, die das Brummen aus der Luft auffängt, da der Kondensator für 50 Hz ein offener Stromkreis ist.

Das Brummen + der Netzoberwellen kann auch durch eine Filtersoftware aus dem demodulierten Signal herausgefiltert werden. Die Filterung ist beispielsweise bei Gehirn- oder Herztests und bei der Reinigung der Audiosignale unerlässlich.

Testen Sie Ihren Empfänger mit einem anderen Sender. Ist der Empfänger selbst brummfrei?

Ich verstehe, dass ein Oszilloskop teuer ist (es sei denn, Sie leben in den USA. Ich habe eine Menge billiger Oszilloskope gesehen, die auf 500 MHz oder so bei eBay gehen). Sie sollten einen Signalgenerator und einen Milivoltmeter für diese Frequenzen besorgen (ein SDR für Milivoltmeter ist möglicherweise in Ordnung, je nachdem, was Sie haben). Von den Bildern, die Sie angehängt haben, vermute ich, dass der Oszillator überhaupt nicht funktioniert. So sieht eine Sinuskurve nicht aus (sei es 400 MHz oder 50 Hz, eine Sinuskurve ist eine Sinuskurve). Welche Form Sie auch haben, sie ist so hässlich, dass Sie sie nicht einmal benennen können. Versuchen Sie, es in zwei Schritten zu analysieren: Stellen Sie im ersten Schritt sicher, dass Sie ein Signal in diesem Bereich verstärken können. Zweiter Schritt: Überprüfen Sie, was Ihr abgestimmtes Feedback in diesem Bereich bewirkt. Ja, dafür benötigen Sie einen Signalgenerator. Sie können den SDR als Milivoltmeter / Oszilloskop verwenden, benötigen jedoch einen Signalgenerator. Hatten Sie Summen gehabt,