10MHz-referentiegenerator: zeer nauwkeurig, met verdeler en galvanische isolatie

In complexe meetopstellingen waar frequenties en tijden nauwkeurig geregistreerd en gecorreleerd moeten worden, moeten de meetapparaten zo goed mogelijk synchroon werken. Ze worden gesynchroniseerd met behulp van een zeer nauwkeurige referentiefrequentie. In dit artikel wordt de bouw van zo’n referentiegenerator besproken.

Als er geen conflicterende redenen zijn, wordt het apparaat met de nauwkeurigste tijdbasis tot master verklaard in dergelijke meetopstellingen en dient zijn uitgangssignaal als referentie voor de andere apparaten. De signaaldistributie kan bijvoorbeeld worden geïmplementeerd in de vorm van een ‘serieschakeling’, waarbij elk apparaat de referentiefrequentie op zijn ingang doorgeeft aan zijn uitgang, waardoor een seriële keten ontstaat. Het alternatief is een sterschakeling met een distributieversterker, zodat er meerdere referentiesignalen parallel beschikbaar zijn. Een frequentie van 10 MHz is als standaardreferentie vastgelegd.

Massaproblemen

Een veel voorkomend probleem in dergelijke meetopstellingen zijn aardlussen, die gevoelige metingen ernstig kunnen verstoren. Achtergrond: de massa’s van de in- en uitgangsaansluitingen zijn verbonden met de randaarde (PE) van het stopcontact, de stekkers van de data-interfaces (GPIB, USB) en de massa’s van de aansluitingen van de referentiesignalen. Magnetische stoorvelden kunnen zich inkoppelen in de resulterende aardlussen of er kunnen vereffeningsstromen lopen; de signalen waar het om gaat worden dus verminkt door ongewenste stoorsignalen.

Voor referentiesignalen kunnen aardlussen worden voorkomen door galvanische scheiding met behulp van HF-transformatoren. Zulke transformatoren zijn verkrijgbaar in kleine behuizingen met BNC-connectoren, bijvoorbeeld van Mini-Circuits. Voor een serieschakeling moeten ze tussen elk tweetal apparaten worden geplaatst. Bij gebruik van een verdeler wordt zo’n transformator tussen de verdeler en elke referentie-ingang van een meetapparaat geplaatst. Verdelers met geïntegreerde HF-uitgangstransformatoren voor vereenvoudigde, aardvrije aansluiting van meetapparatuur lijken momenteel niet op de markt verkrijgbaar te zijn. Deze tekortkoming inspireerde me om een referentiegenerator te ontwikkelen die niet alleen is uitgerust met een zeer nauwkeurige (verwarmde) oscillator, maar ook verschillende aardvrije uitgangen heeft.

Principeschema

Een blokschema van de generatorschakeling is te zien in figuur 1. Linksboven wordt het basis-kloksignaal van 20 MHz gegenereerd, met een eenvoudige kwartsoscillator of een complexere, ijkbare ovengestuurde kristaloscillator (OCXO). Na halvering tot 10 MHz en filtering is de referentiefrequentie klaar voor buffering en distributie (rechts).

De schakeling kan ook gewoon gebruikt worden als een distributieversterker. Als je een externe referentiefrequentie van hoge kwaliteit beschikbaar hebt, kun je die aansluiten op de referentie-ingang linksonder. Na amplitudestabilisatie door een speciale RF-versterker (AGC) wordt dit signaal als referentie doorgesluisd in de rechter distributieversterkerbank.

Het schema

Zoals je kunt zien in het schema van figuur 2, worden de digitale en analoge gedeelten apart gevoed. De klokopwekking wordt gevoed door de 3,3V-voeding rond Tr1 en IC3. De verwarming van een optionele OCXO wordt ook vanuit deze tak gevoed. Deze opzet zorgt ervoor dat een nauwkeurige referentiefrequentie met geringe drift wordt verkregen.

De analoge versterkers worden symmetrisch gevoed met ±5 V van Tr3 en de twee klassieke spanningsregelaars IC1 en IC2. Om zuivere spanningen te garanderen, is een groot aantal kleine elektrolytische ontkoppelcondensatoren, elk 22 µF, en multilayer-condendatoren van 100 nF in de schakeling verdeeld. De niveaustabilisatie van een extern referentiesignaal via AGC vindt plaats via de +5V-tak, met kleine RC-filters (R311/C85 en R312/C84). Twee LED’s op de print geven aan dat het systeem klaar is voor gebruik. Een extra LED kan op het frontpaneel worden gemonteerd. Als alle eindtrappen zijn gemonteerd, loopt er een stroom van ongeveer 180 mA in de ±5V-tak.

Oscillatoren

Als oscillator wordt een zeer nauwkeurige, verwarmde kwartsgenerator gebruikt van het type FTM301 van FOX of bijvoorbeeld het type OH300-50503CF-020.0M van Connor-Winfield (Y1 in figuur 2). Voor lagere kwaliteitseisen is een eenvoudige 20MHz-kristaloscillator (XO1 in figuur 2, ) ook voldoende. Uiteraard hoeft maar één van de twee alternatieven te worden toegepast. Als Y1 is gemonteerd, onttrekt de schakeling gedurende enkele seconden na het inschakelen tijdens het opwarmen tot 800 mA aan de 3,3V-tak. Daarna wordt de stroom gereduceerd tot ongeveer 350 mA.

De frequentie van Y1 kan in geringe mate worden beïnvloed via ingang VC (pen 1) met behulp van een regelspanning van 0...2,5 V, gegenereerd door IC6 en instelbaar met R16. Als XO1 is gemonteerd in plaats van Y1, kunnen IC6 en instelpotmeter R16 worden weggelaten. Sommige oscillatoren hebben hun eigen referentiespanning, die kan worden afgetapt van pen 2. In dat geval kan IC6 worden weggelaten en kan R17 worden gemonteerd. Bij oscillatoren zonder eigen referentiespanning moet IC6 worden aangebracht en kan R17 worden weggelaten. De referentiefrequentie kan worden gekalibreerd met R16, waarvoor natuurlijk een geschikte en vooral zeer nauwkeurige externe referentiefrequentie nodig is.

Als absolute nauwkeurigheid niet erg belangrijk is, voldoet de eenvoudige en goedkope XO1-kristaloscillator in een XO91-behuizing ook. Nogmaals: er hoeft maar één oscillator te worden gemonteerd – Y1 of XO1. Vanwege het geringere stroomverbruik is geen extra transformator TR1 nodig voor XO1 en de gelijkrichter van D1...D4 is ook weggelaten. In plaats daarvan is R5 aangebracht om de vereiste 3,3 V af te leiden van de 5,5 V-tak. R11 wordt gemonteerd als XO1 wordt gebruikt en R18 als Y1 wordt gebruikt.

Om een optimale duty cycle van 50% van het 10MHz-signaal te bereiken wordt de 20 MHz van de primaire klokgenerator gedeeld door een D-flipflop. Een alternatief is het aanbrengen van 10 MHz generatoren, wat betekent dat U2 dan wordt weggelaten en de ingang wordt verbonden met de uitgangspen door R13 aan te brengen. Het 10MHz-signaal wordt dan ontdaan van harmonischen door een passief Cauer-laagdoorlaatfilter van de vijfde orde rond L8 en L9, waardoor de blokgolf een sinus wordt. De afsnijfrequentie van het filter is 11 MHz, de rimpel is slechts 0,1 dB en de ingangs- en uitgangsimpedantie is 100 Ω. De spanningsdeler R14/R15 reduceert het ingangssignaal en C22 verwijdert de DC-componenten (= de helft van de voedingsspanning).

R50, R51 en R52 sluiten de uitgang van het filter af. De amplitude kan worden ingesteld met trimpot R51 en aangepast aan het ingangsniveaubereik van de AGC. Het relais K1 en een schakelaar op het frontpaneel kunnen worden gebruikt om te kiezen tussen het signaal van de interne generator en de referentie-ingang.

Distributieversterker

IC5A versterkt het signaal met een factor 2 en verdeelt het over zes van de zeven eindtrappen via een lijn die is afgesloten met 50 Ω (R130) om reflecties op de printsporen te voorkomen en een zo gelijk mogelijk niveau op alle ingangen van de zeven eindtrappen te bereiken. De 50Ω-weerstand van deze trappen wordt gebruikt om de ingangscapaciteit van de opamps die zijn geïnstalleerd te ontkoppelen. Zes van deze trappen zijn elk uitgerust met twee video-opamps. De amplitudes van deze zes kanalen kunnen afzonderlijk worden ingesteld met hun 500Ω-instelpots.

De tweede op-amp van IC5 stuurt een serieel banddoorlaatfilter aan dat bestaat uit de twee parallel geschakelde condensatoren C66 en C67 plus de spoel L7 en tenslotte de HF-transformator Tr51 van het type ADT1-1 via een weerstand van 50 Ω. Deze eindtrap heeft geen instelpotmeter en zijn uitgangsspanning is dus niet instelbaar.

Over het algemeen kun je, als je geen galvanische isolatie nodig hebt, de HF-transformatoren Tr51 tot Tr57 weglaten en in plaats daarvan twee 0Ω-weerstanden monteren. In mijn prototype heb ik MAX4392ESA-opamps gebruikt in een SOIC8-behuizing. Je kunt echter ook andere videoversterkers gebruiken die geschikt zijn voor een voeding van ±5 V. Met galvanische scheiding en een metalen voor- en achterpaneel is het natuurlijk noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de BNC-aansluitingen geïsoleerd zijn!

Referentie-ingang en AGC

Voor deze deelschakeling wordt een AGC-IC van het type AD8368 van Analog Devices (U1) gebruikt. De bedrading in figuur 2 komt overeen met de aanbevelingen in de datasheet. Om de ingang niet te oversturen, is vóór de HF-ingangstransformator Tr81 een 6dB-verzwakker opgenomen. Als galvanische scheiding niet nodig is, kan de transformator hier ook worden weggelaten en worden vervangen door de twee weerstanden R307 en R308. Niveaustabilisatie via AGC werkt met ingangssignalen tussen 70 en 2000 mV_SS bij 50 Ω. Lagere ingangsniveaus verlagen het uitgangsniveau – hogere ingangsniveaus verhogen het.

Voeding

Na het inschakelen van de schakeling met een koude OCXO loopt er aanzienlijk meer stroom dan later wanneer de temperatuur zich gestabiliseerd heeft. Daarom is een relatief krachtige transformator met Schottky-diodes en een grote filtercondensator gemonteerd. De gestabiliseerde 3,3 V wordt opgewekt door een LT1963AET-3,3 low-drop regelaar (Analog Devices). De regelaar moet worden gekoeld. Hiervoor kan hij (met isolatiemateriaal) op de achterwand van een aluminium behuizing worden geschroefd. De uitgangsspanning kan worden uitgeschakeld via de shutdown-ingang als je de externe referentiefrequentie wilt gebruiken en de schakeling alleen als een distributieversterker dienst doet. Deze maatregel voorkomt interferentie tussen het interne generatorsignaal en het externe referentiesignaal. Relais K1 wordt aangestuurd door een schakelaar op het frontpaneel, die verbonden is met JP2. Een wisselcontact van het relais selecteert het ingangssignaal voor de distributieversterker. Het andere contact bedient de SHDN-ingang van IC3 via T1 en de ENBL-ingang van de AGC via T2.

Nog een opmerking over het ontwerp: een goede thermische isolatie van de OCXO zal het stroomverbruik reduceren. De maximale nauwkeurigheid wordt uiterlijk na 30 minuten bereikt.

Montage-opties

Zoals duidelijk moge zijn, biedt de print diverse montage-opties. De optionele onderdelen zijn in de onderdelenlijst gemarkeerd met een sterretje. Voor de duidelijkheid zetten we de montage-opties hier nog een keer op een rijtje:

OCXO of eenvoudige kristaloscillator

Voor de OCXO Y1, moeten Tr1, de diodes D1...D4 en C1 worden gemonteerd. R5 wordt weggelaten. Bij montage van XO1 worden Tr1, D1...D4 en C1 weggelaten. In plaats daarvan wordt R5 gemonteerd.

20MHz- of 10MHz-oscillator

Voor 20MHz-oscillatoren moet tweedeler U2 worden gemonteerd. R13 wordt weggelaten. Voor 10MHz-oscillatoren wordt U2 weggelaten. R13 moet dan wel worden aangebracht.

Referentiespanning van de OCXO

Als de OCXO een interne referentiespanningsbron heeft, is IC6 niet nodig en moet R17 worden gemonteerd. Zonder interne referentiespanningsbron is IC6 wel nodig. R17 moet dan niet worden gemonteerd.

Interne of externe frequentiegenerator of beide

Het is mogelijk om alleen de interne oscillatoren of alleen de ingang voor een externe referentie uit te rusten met AGC, of beide delen. Bij gebruik van een interne generator is de AGC uitgeschakeld. Bij gebruik van de externe ingang met AGC worden de 3,3V-voeding en daarmee de oscillatoren en de verdeler uitgeschakeld.

Galvanische isolatie

Als galvanische isolatie niet nodig is, kunnen de HF-transformatoren worden weggelaten. In dat geval moeten de twee 0Ω-weerstanden in plaats van elke transformator worden gemonteerd om ze te overbruggen. Dan moet de juiste polariteit in acht worden genomen bij het aansluiten van de BNC-bussen.

R302 en R305

Deze weerstanden worden gebruikt om een exacte weerstandswaarde te verkrijgen door ze parallel te schakelen met R301 en R306. De opgegeven waarden van R301 en R306 zijn nauwkeurig genoeg voor de hier beoogde verzwakking van 6 dB. R302 en R305 kunnen daarom worden weggelaten.

Bouw

Figuur 3 toont de gedeeltelijk geassembleerde print, waarvan de layoutbestanden gratis kunnen worden gedownload in Eagle-formaat van de Elektor-website . Figuur 4 toont een print die is geïnstalleerd in een kunststof behuizing met metalen voor- en achterpanelen. Zoals al opgemerkt moeten de BNC-aansluitingen geïsoleerd worden gemonreerd. De referentiegenerator die in dit artikel wordt beschreven is veelzijdig, zeer nauwkeurig en voorkomt aardlussen in complexe testopstellingen. Overigens zijn er nog enkele niet-geassembleerde printen verkrijgbaar bij de auteur.

Noot van de redactie: Het artikel, 10 MHz referentiegenerator (180385-03), verschijnt in Elektor mei/juni 2024. 

Vragen of opmerkingen?

Hebt u technische vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel? Stuur een e-mail naar de auteur via alfred_rosenkraenzer@gmx.de of naar de redactie van Elektor via redactie@elektor.com.