krystalový oscilátor - zatížení krystalu

[jef111]

Tak počítám že výroba krystalu na zakázku bude drahá asi tolik jako bych si koupil celý čítač jiný...
Mám domluvený na půjčení BM641, zkusím stabilitu vylaborovat. Referenční čítač by sice měl mít podstatně vyšší stabilitu jako měřený či vyráběný ale co můžu dělat, 526 nebo 642 se mi někde půjčit asi jen tak nepodaří. Mám doma BM533 ale nevím nakolik mu důvěřovat, když je přes 30 let starý. Frekvence normálu bude sice asi stabilní stále, ale kdoví o kolik za ta léta "ujel".
V tom rozdílu paralelní a sériové rezonance jsem se upsal, mělo tam být 100Hz, ale v řádu kHz to určitě nebylo, tedy aspoň v mém případě. Víc jsem těch krystalů zatím takto neměřil.
V tom "ujíždění" frekvence v řádu roků bych neviděl až tak tragický problém, muselo by se to prostě čas od času kalibrovat. S tím bych se spokojil (když mi asi nic jiného nezbyde).
Zatížení krystalu - myslím že s tou kapacitou budu moct jít i výš, jelikož v původním zapojení je 47pF a náhradní sériový odpor krystalu udávaný do 150ohm. Pokud vím, běžné krystaly na vysokých frekvencích dnes mívají okolo 40ohm, což si myslím dost zlepšuje situaci.

[jef111]

Tak počítám že výroba krystalu na zakázku bude drahá asi tolik jako bych si koupil celý čítač jiný...
Mám domluvený na půjčení BM641, zkusím stabilitu vylaborovat. Referenční čítač by sice měl mít podstatně vyšší stabilitu jako měřený či vyráběný ale co můžu dělat, 526 nebo 642 se mi někde půjčit asi jen tak nepodaří. Mám doma BM533 ale nevím nakolik mu důvěřovat, když je přes 30 let starý. Frekvence normálu bude sice asi stabilní stále, ale kdoví o kolik za ta léta "ujel".
V tom rozdílu paralelní a sériové rezonance jsem se upsal, mělo tam být 100Hz, ale v řádu kHz to určitě nebylo, tedy aspoň v mém případě. Víc jsem těch krystalů zatím takto neměřil.
V tom "ujíždění" frekvence v řádu roků bych neviděl až tak tragický problém, muselo by se to prostě čas od času kalibrovat. S tím bych se spokojil (když mi asi nic jiného nezbyde).
Zatížení krystalu - myslím že s tou kapacitou budu moct jít i výš, jelikož v původním zapojení je 47pF a náhradní sériový odpor krystalu udávaný do 150ohm. Pokud vím, běžné krystaly na vysokých frekvencích dnes mívají okolo 40ohm, což si myslím dost zlepšuje situaci.

[FERYACT]

Pro ilustraci dávám zapojení krystalových oscilátorů

[EKKAR]

Asi nejstabilnější BĚŽNĚ DOSTUPNÉ normály, které se dají použít, jsou
a) řádkový rozkladový kmitočet TV - ten je 15 625 Hz u naší normy
anebo (lepší)
b) nosný kmitočet rádiových časových normálů (jen jeden za mnoho - DCF77,7) - málokdo ví, že mají z utrapřesných cesiových nebo rubidiových atomových kmitočtových normálů odvozovanou nejen modulaci, ale i nosnou vlnu, takže pokud se člověk zrovna nepohybuje rychlostí blízkou alespoň zlomku rychlosti světla, může nosný kmitočet použít jako etalon kmitočtové stability jiných kmitočtových zdrojů.

[EKKAR]

Asi nejstabilnější BĚŽNĚ DOSTUPNÉ normály, které se dají použít, jsou
a) řádkový rozkladový kmitočet TV - ten je 15 625 Hz u naší normy
anebo (lepší)
b) nosný kmitočet rádiových časových normálů (jen jeden za mnoho - DCF77,7) - málokdo ví, že mají z utrapřesných cesiových nebo rubidiových atomových kmitočtových normálů odvozovanou nejen modulaci, ale i nosnou vlnu, takže pokud se člověk zrovna nepohybuje rychlostí blízkou alespoň zlomku rychlosti světla, může nosný kmitočet použít jako etalon kmitočtové stability jiných kmitočtových zdrojů.

[jef111]

Aha to je zajímavá myšlenka. Sice synchronizovat čítač rádiem je trochu bláznivé ale na přesné seřízení podle "skutečnosti" by to mohlo dobře posloužit.

Řeším teď jednu otázku - mám hromádku krystalů 24MHz, na některých je jen vyznačená frekvence, na jiných jsou i písmena jako třeba AVC, ETL, HKC atd, značí to nějakou jejich vlastnost? A ještě u několika tu mám před nebo za označením frekvence písmeno F, tohle bude určitě něco znamenat ale nevím co. Pak tu mám ještě jeden na kterém je označení frekvence a pod tím KDSI 2G.
Věděl by někdo co to znamená?

A ještě jedna věc - jak zjistím která teplotní charakteristika platí pro který krystal? Na netu jde najít spoustu datasheetů od výrobců ke krystalům, ovšem nikde není psáno jak se která charakteristika značí na vlastním krystalu a když krystal kupuju tak sice mám spoustu křivek ale nevím která k němu patří...

[jef111]

Aha to je zajímavá myšlenka. Sice synchronizovat čítač rádiem je trochu bláznivé ale na přesné seřízení podle "skutečnosti" by to mohlo dobře posloužit.

Řeším teď jednu otázku - mám hromádku krystalů 24MHz, na některých je jen vyznačená frekvence, na jiných jsou i písmena jako třeba AVC, ETL, HKC atd, značí to nějakou jejich vlastnost? A ještě u několika tu mám před nebo za označením frekvence písmeno F, tohle bude určitě něco znamenat ale nevím co. Pak tu mám ještě jeden na kterém je označení frekvence a pod tím KDSI 2G.
Věděl by někdo co to znamená?

A ještě jedna věc - jak zjistím která teplotní charakteristika platí pro který krystal? Na netu jde najít spoustu datasheetů od výrobců ke krystalům, ovšem nikde není psáno jak se která charakteristika značí na vlastním krystalu a když krystal kupuju tak sice mám spoustu křivek ale nevím která k němu patří...

[tandel]

Myslím, že ve značení krystalů je celkem hokej. Výrobci nepoužívají jednotné značení. Byl bych taky rád, kdyby to někdo trochu objasnil.

[ZdenekHQ]

Možná ten odkaz tady už někde padl - třeba tam najdete něco zajímavýho :

http://vaelektronik.cz/bastl/dcfgen/osc.htm

[ZdenekHQ]

Možná ten odkaz tady už někde padl - třeba tam najdete něco zajímavýho :

http://vaelektronik.cz/bastl/dcfgen/osc.htm

[jef111]

Díky Zdenku, ten odkaz mi pomohl.

U krystalu jsem zjistil teplotu obratu frekvenční závislosti na 47°C, tam jej udržuju, stabilita teploty je lepší než 0,1°C (změna mimo rozlišení mého teploměru s SMT160).

Teď řeším další problém - teplotní závislost keramik. Používám keramiky ze stabilitu (N047). Mají udávaný teplotní součinitel -47x10^-6/K, ve skutečnosti se teplotní součinitel může pohybovat prakticky od nuly k asi - 80x10^-6/K. U kapacit řádu jednotek pF nemám možnost teplotní součinitel měřit, proto nemůžu vybírat. Potřebná sériová kapacita je u dostupných krystalů okolo 30pF. V mém případě potřebuju kapacitu asi 47pF pro správnou frekvenci. Při pokusech jsem zjistil, že 1pF sériové kapacity krystal rozladí asi o 150Hz (tedy 1,5x10^-5). Proto i při poměrně malém teplotním součiniteli keramik je frekvenční změna dost velká. Jen u té sériové kapacity to dělá něco přes 0,3Hz/°C. A to neberu ani v úvahu změnu kapacity keramik na odlehčení krystalu (ve schématu pro BM520 je to C3 a C4, pro BM641 je to C4, C6), jejich změna má taky vliv na frekvenci. Hodily by se mi keramiky z materiálu P033 nebo P100, ovšem z těchto materiálů se žádné kondenzátory nedělaly, nebo jsem je aspoň v žádném z katalogů Tesly co doma mám nenašel, popis materiálů ale v katalogu mají (to tedy nechápu).

Dál se mi nelíbí, že v oscilátoru který kopíruju (z BM641) krystal kmitá podstatně "tvrději" než v tom mém. Nenechá se tolik rozladit kapacitami, ani sériovou, ani proti zemi. Dokonce kmitá skoro na přesné frekvenci i když desku vytáhnu z plechového krytu, to se o tom mém nedá říci ani zdaleka. Krystalu jsem se snažil co nejvíc "odlehčit", C4 a C6 mám 82pF, vazební kapacitu C7 mám 1,5pF (níž už nemůžu jít, výstupní napětí by bylo moc malé), sériový rez. obvod L1C5 vyladěný a má solidní Q, odhaduju přes 50. Namísto E1 jsem použil BF173, to taky trochu pomohlo "odlehčení". Už nevím co dál zkusit. Snad zkusit upravit pracovní bod E1? Myslím, že kdyby se mi podařilo obvod lépe optimalizovat, byla by i závislost změny frekvence na kapacitách menší, tím pádem by tolik nevadila jejich teplotní závislost. Jenže už nevím čím pohnout. Mohl by někdo poradit?

Pro úplnost přikládám schéma.

[jef111]

Díky Zdenku, ten odkaz mi pomohl.

U krystalu jsem zjistil teplotu obratu frekvenční závislosti na 47°C, tam jej udržuju, stabilita teploty je lepší než 0,1°C (změna mimo rozlišení mého teploměru s SMT160).

Teď řeším další problém - teplotní závislost keramik. Používám keramiky ze stabilitu (N047). Mají udávaný teplotní součinitel -47x10^-6/K, ve skutečnosti se teplotní součinitel může pohybovat prakticky od nuly k asi - 80x10^-6/K. U kapacit řádu jednotek pF nemám možnost teplotní součinitel měřit, proto nemůžu vybírat. Potřebná sériová kapacita je u dostupných krystalů okolo 30pF. V mém případě potřebuju kapacitu asi 47pF pro správnou frekvenci. Při pokusech jsem zjistil, že 1pF sériové kapacity krystal rozladí asi o 150Hz (tedy 1,5x10^-5). Proto i při poměrně malém teplotním součiniteli keramik je frekvenční změna dost velká. Jen u té sériové kapacity to dělá něco přes 0,3Hz/°C. A to neberu ani v úvahu změnu kapacity keramik na odlehčení krystalu (ve schématu pro BM520 je to C3 a C4, pro BM641 je to C4, C6), jejich změna má taky vliv na frekvenci. Hodily by se mi keramiky z materiálu P033 nebo P100, ovšem z těchto materiálů se žádné kondenzátory nedělaly, nebo jsem je aspoň v žádném z katalogů Tesly co doma mám nenašel, popis materiálů ale v katalogu mají (to tedy nechápu).

Dál se mi nelíbí, že v oscilátoru který kopíruju (z BM641) krystal kmitá podstatně "tvrději" než v tom mém. Nenechá se tolik rozladit kapacitami, ani sériovou, ani proti zemi. Dokonce kmitá skoro na přesné frekvenci i když desku vytáhnu z plechového krytu, to se o tom mém nedá říci ani zdaleka. Krystalu jsem se snažil co nejvíc "odlehčit", C4 a C6 mám 82pF, vazební kapacitu C7 mám 1,5pF (níž už nemůžu jít, výstupní napětí by bylo moc malé), sériový rez. obvod L1C5 vyladěný a má solidní Q, odhaduju přes 50. Namísto E1 jsem použil BF173, to taky trochu pomohlo "odlehčení". Už nevím co dál zkusit. Snad zkusit upravit pracovní bod E1? Myslím, že kdyby se mi podařilo obvod lépe optimalizovat, byla by i závislost změny frekvence na kapacitách menší, tím pádem by tolik nevadila jejich teplotní závislost. Jenže už nevím čím pohnout. Mohl by někdo poradit?

Pro úplnost přikládám schéma.

[ZdenekHQ]

A co konstrukce, co jsem použil já ? Tam je vliv součástek minimální, krystal se dá dobře přeladit:

http://www.hq-elektronic.eu/ref_osc.html

[ZdenekHQ]

A co konstrukce, co jsem použil já ? Tam je vliv součástek minimální, krystal se dá dobře přeladit:

http://www.hq-elektronic.eu/ref_osc.html

[jef111]

Jakou dlouhodobou stabilitu to má? Píšeš tam 10Hz/°C což já tu mám tedy asi 20x lepší, samozřejmě s termostatováním. Určitě je výhodnější zapojení krystalu v tom píčlánku, má tam aspoň čistě sériovou rezonanci. Pokud neuspěju s tímto zapojením co mám, zkusím to Tvoje.
Jako v tuto chvíli je ten můj oscilátor asi o 2 řády stabilnější jak v původním řešení, takže každopádně úspěch, ale nedosáhl jsem dlouhodobé stability v řádu 10^-8 a tak stále nejsem spokojen. Krátkodobou během asi 10s odhaduju 2-3x10^-9, možná i lepší (mimo rozsah mého BM533). Ale je to k ničemu když dneska přes noc mi to ujelo o 8Hz oproti nastavení večer, první hodnotu jsem odčítal asi hodinu po zapnutí, BM533 mi tu už běží čtvrtý den v kuse.

[jef111]

Jakou dlouhodobou stabilitu to má? Píšeš tam 10Hz/°C což já tu mám tedy asi 20x lepší, samozřejmě s termostatováním. Určitě je výhodnější zapojení krystalu v tom píčlánku, má tam aspoň čistě sériovou rezonanci. Pokud neuspěju s tímto zapojením co mám, zkusím to Tvoje.
Jako v tuto chvíli je ten můj oscilátor asi o 2 řády stabilnější jak v původním řešení, takže každopádně úspěch, ale nedosáhl jsem dlouhodobé stability v řádu 10^-8 a tak stále nejsem spokojen. Krátkodobou během asi 10s odhaduju 2-3x10^-9, možná i lepší (mimo rozsah mého BM533). Ale je to k ničemu když dneska přes noc mi to ujelo o 8Hz oproti nastavení večer, první hodnotu jsem odčítal asi hodinu po zapnutí, BM533 mi tu už běží čtvrtý den v kuse.

[ZdenekHQ]

Já jsem to přesněji ani dlouhodobě neměřil, na tu přesnost, co potřebuju, to zatím stačilo. Každopádně tohle je doporučený zapojení oscilátoru pro náročnější aplikace, kde je vyžadovaná stabilita.

[ZdenekHQ]

Já jsem to přesněji ani dlouhodobě neměřil, na tu přesnost, co potřebuju, to zatím stačilo. Každopádně tohle je doporučený zapojení oscilátoru pro náročnější aplikace, kde je vyžadovaná stabilita.

[zdenekxxx]

jeff - správná cesta je termostatovat celý oscilátor, pak tě teplotní závislost kapacit určujících kmitočet nezajímá. Zkus celé zapojení udělat SMD a přilepit ke krystalu, posléze celé termostatovat....

Jinak kapacitu v sérii s krystalem vol co největší - tím se zmenší její vliv.

Kapacita v sérii s krystalem ti snižuje Q krystalu! Krystal v BM641 byl navržen na toto přesné použití, ty používáš běžný krystal za 5Kč...

Co teplotní závislost indukčnosti? Nepoužíváš feritové jádro? Zkus k ní přiblížit např. hrot trafopájky.

Otázka je také správné tepelné svázání termistoru a krystalu, jak to máš realizováno?

systém značení je skutečně různý, například firma ecom ho má popsána ve svém katalogu(EE značí toleranci přesnosti kmitočtu 30ppm a změnu kmitočtu v daném rozmezí teplot také o 30pp)
http://www.ecom.cz/katalog_pdf/geyer/krystaly.pdf

Ještě poznámka. Běžné krystaly ti ujedou za rok o 2ppm, tedy u 10MHz krystalu o 20Hz, takže nějakou sychronizaci při použití běžného krystalu potřebuješ.

[jef111]

Díky za reakci.
Ohledně teplotní závislosti - nikde jsem se o přesných hodnotách běžně prodávaných krystalů nedočetl, tak mi nezbylo než to změřit. Postupně jsem zvyšoval teplotu a hledal minimální kmitočet. Nalezl jsem jej asi na 49°C, tak jsem to tam nechal. Původně se mi to zdálo na 47°C, nevím zda to byla chyba při měření nebo se zahříváním teplota obratu posunula.
O termostatování celé krabice oscilátoru vážně uvažuju, už to vidím jako jedinou cestu...
Cívka a rezonanční obvod - zjistil jsem, že jeho (naprosto) přesné naladění je dost zásadní pro stabilitu a amplitudu oscilací. Jádro v cívce nemám žádné, původně tam bylo feritové (i v původní konstrukci!). S jádrem byla stabilita mizerná (asi 2x10^-7), tak jsem jej vytáhl a musel jsem upravit vinutí a vybrat sériovou kapacitu, stabilita se zlepšila.
Další poměrně zásadní věcí bylo přesné nastavení pracovního bodu oscilačního tranzistoru E1. Tranzistor musí být nastaven tak, aby nezkresloval ani jednu půlvlnu. Taky pomohlo zvýšení celkového odporu děliče, výsledné odpory jsou R1 a R2 = 68k. Tyto odpory jsem musel dát metalizované TR161, s obyčejnými to nebylo dobré. Snad mají vysokou parazitní indukčnost, nebo se u nich projevuje víc skinefekt či co. S odpory v kolektoru jsem nehýbal, možná by to taky pomohlo, nevím.
Kapacity - v současné době mám v sérii něco okolo 40pF, paralelní kapacity k zemi se mi podařilo dostat až na 180pF. Vypadá to že se Q krstalu moc nesnížilo, krátkodobá stabilita (na které by se to asi projevilo) je mimo možnosti měření mého čítače.
Tepelné svázání mám takové, jak v původní konstrukci oscilátoru. V hliníkové kostičce je vyfrézovaná díra ve které je uložen krystal, termistor má vlastní díru, je přesně uprostřed mezi vyhřívacím tranzistorem a krystalem. Je to obyčejný 10k ze základní desky PC. Krystal je ještě mechanicky zajištěný pružinou, která jej tlačí směrem do kostičky, silikonovou pastou jsem nešetřil. Tranzistor je ke kostičce přišroubovaný a odizolovaný slídou, KD135. Myslím, že tepelné svázání všech tří součástek je dobré. Usuzuju tak podle toho, že proud odebíraný ze zdroje nekolísá, po zahřátí se rychle přestane "houpat". Teplotní hystereze je minimální.
A ještě k tomu krystalu - nechal jsem jej trochu "vystárnout", celý týden jsem jej nechával nahřívat na pracovní teplotu a pak dával do mražáku (asi -10°C). Zdá se mi, že se kmitočet dost posunul. Taky jsem poslal formulář s dotazem do firmy Krystal za kolik by mi ho udělali na míru. Zatím mi nic nepřišlo, oni to asi posílají tištěné poštou.
V současné době už je dlouhodobá stabilita dobrá, pokud se teplota vzduchu v místnosti nemění, je lepší jak 1x10^-8/den. Jinak je to asi 3x10^-8/°C, což je tedy dost. Budu muset termostatovat celou krabici. Jenže nevím jak se mi potom oscilátor vleze do čítače
Zjistil jsem (nebo spíš ověřil ), že stabilita amplitudy oscilací je velmi důležitá i pro stabilitu kmitočtu. Pokud oscilátor kmitá těsně na hranici vzniku oscilací, což je naopak dobré zase s ohledem na buzení krystalu, amplituda oscilací je teplotně nestabilní a se zatížením taky dost kolísá. To se významně projeví i na kmitočtu. Pak je lepší krystalu "pustit trochu víc".

[jef111]

Díky za reakci.
Ohledně teplotní závislosti - nikde jsem se o přesných hodnotách běžně prodávaných krystalů nedočetl, tak mi nezbylo než to změřit. Postupně jsem zvyšoval teplotu a hledal minimální kmitočet. Nalezl jsem jej asi na 49°C, tak jsem to tam nechal. Původně se mi to zdálo na 47°C, nevím zda to byla chyba při měření nebo se zahříváním teplota obratu posunula.
O termostatování celé krabice oscilátoru vážně uvažuju, už to vidím jako jedinou cestu...
Cívka a rezonanční obvod - zjistil jsem, že jeho (naprosto) přesné naladění je dost zásadní pro stabilitu a amplitudu oscilací. Jádro v cívce nemám žádné, původně tam bylo feritové (i v původní konstrukci!). S jádrem byla stabilita mizerná (asi 2x10^-7), tak jsem jej vytáhl a musel jsem upravit vinutí a vybrat sériovou kapacitu, stabilita se zlepšila.
Další poměrně zásadní věcí bylo přesné nastavení pracovního bodu oscilačního tranzistoru E1. Tranzistor musí být nastaven tak, aby nezkresloval ani jednu půlvlnu. Taky pomohlo zvýšení celkového odporu děliče, výsledné odpory jsou R1 a R2 = 68k. Tyto odpory jsem musel dát metalizované TR161, s obyčejnými to nebylo dobré. Snad mají vysokou parazitní indukčnost, nebo se u nich projevuje víc skinefekt či co. S odpory v kolektoru jsem nehýbal, možná by to taky pomohlo, nevím.
Kapacity - v současné době mám v sérii něco okolo 40pF, paralelní kapacity k zemi se mi podařilo dostat až na 180pF. Vypadá to že se Q krstalu moc nesnížilo, krátkodobá stabilita (na které by se to asi projevilo) je mimo možnosti měření mého čítače.
Tepelné svázání mám takové, jak v původní konstrukci oscilátoru. V hliníkové kostičce je vyfrézovaná díra ve které je uložen krystal, termistor má vlastní díru, je přesně uprostřed mezi vyhřívacím tranzistorem a krystalem. Je to obyčejný 10k ze základní desky PC. Krystal je ještě mechanicky zajištěný pružinou, která jej tlačí směrem do kostičky, silikonovou pastou jsem nešetřil. Tranzistor je ke kostičce přišroubovaný a odizolovaný slídou, KD135. Myslím, že tepelné svázání všech tří součástek je dobré. Usuzuju tak podle toho, že proud odebíraný ze zdroje nekolísá, po zahřátí se rychle přestane "houpat". Teplotní hystereze je minimální.
A ještě k tomu krystalu - nechal jsem jej trochu "vystárnout", celý týden jsem jej nechával nahřívat na pracovní teplotu a pak dával do mražáku (asi -10°C). Zdá se mi, že se kmitočet dost posunul. Taky jsem poslal formulář s dotazem do firmy Krystal za kolik by mi ho udělali na míru. Zatím mi nic nepřišlo, oni to asi posílají tištěné poštou.
V současné době už je dlouhodobá stabilita dobrá, pokud se teplota vzduchu v místnosti nemění, je lepší jak 1x10^-8/den. Jinak je to asi 3x10^-8/°C, což je tedy dost. Budu muset termostatovat celou krabici. Jenže nevím jak se mi potom oscilátor vleze do čítače
Zjistil jsem (nebo spíš ověřil ), že stabilita amplitudy oscilací je velmi důležitá i pro stabilitu kmitočtu. Pokud oscilátor kmitá těsně na hranici vzniku oscilací, což je naopak dobré zase s ohledem na buzení krystalu, amplituda oscilací je teplotně nestabilní a se zatížením taky dost kolísá. To se významně projeví i na kmitočtu. Pak je lepší krystalu "pustit trochu víc".

[Maaartin]

Zdravím všechny! Jak bych měl vhodně zapojit krystalový filtr s úzkou pásmovou propustí na 77,5kHz? K dispozici mám jeden krystal na 77,5kHz a jeho rezonanční křivka je uvedená na obrázku. Potřebuju zvýraznit (vyzdvihnout) "špičku" v sériové rezonanci. Půjde to nějak provést vhodným zapojením pasivních součástek kolem filtru a jak? Nebo budu muset použít více krystalů za sebou a zapojit je jako příčkový filtr? Nemá s tím někdo zkušenosti? Budu vděčný za každou radu...Díky.

[Maaartin]

Neví někdo prosím co s tím krystalovým filtrem?

[jef111]

[jef111]