HP 10811
|
Wanneer er over oscillatoren en tijdstandaarden gesproken wordt, dan is de kans dat de HP (nu Agilent) 10811 OCVCXO vermeld wordt. De HP 10811 is een "beroemde" oscillator. Beroemd omdat deze oscillator geroemd wordt om de prestaties. In de basis is het een 10 MHz oscillator dat een sinus signaal afgeeft. Deze oscillator is in een goed geïsoleerde behuizing geplaatst voorzien van een "oven". (Vandaar de "OC" van "oven controlled".) Deze oven zorgt ervoor dat het kristal verwarmd wordt. De bijbehorende temperatuur regeling zorgt ervoor dat de temperatuur zo constant mogelijk blijft. Kristallen zijn (erg) gevoelig voor temperatuur veranderingen dat direct invloed heeft op de frequentie en daarmee stabiliteit. Op onderstaande foto staat de "ingeblikte" kristaloven met kristal afgebeeld op een insteek kaart dat de verbinding met het oorspronkelijke apparaat en de oscillator mogelijk maakt. Deze HP 10811 heeft al een tweede leven gekend in een GPSDO waardoor er draden aan de print contacten zijn gesoldeerd. Oorspronkelijk zijn deze oscillatoren toegepast in hoogwaardige meetapparatuur en de HP 10811 module is met print contacten in een bus gestoken van het meetapparaat. Deze oscillator staat bekend dat deze een goede korte termijn stabiliteit heeft. En voor oscillator begrippen ook een relatief goede lange termijn stabiliteit. Het plan is om deze oscillator in een GPSDO te plaatsen dus het verloop op lange termijn wordt door de controller schakeling van de GPSDO gecompenseerd. De HP 10811 is qua frequentie bij te regelen met een stelschroef dat via het gaatje in de bovenkant van de behuizing zichtbaar is. Oók kan er een extern gelijkspanning signaal worden ingevoerd om de gewenste frequentie te bereiken. Dit signaal wordt gestuurd door de GPSDO controller. Wanneer het kristal door veroudering van frequentie verloopt, dan kan de GPSDO controller de regel spanning iets wijzigen zodat de oscillator weer "versnelt" en zo op de gewenste frequentie gehouden wordt. Indien gewenst kan de oscillator ook zonder deze regelspanning werken. Dan is de gewenste frequentie met de stelschroef in te stellen. Dat betekent wel dat periodiek kalibreren nodig is om de frequentie verloop te corrigeren.
Als je van plan bent om een tijdstandaard te bouwen, dan is de HP 10811 is echte "must have". De reële waarde ligt tussen de €100,00 en €150,00. Kijk ook naar apparaten waar deze oscillatoren in zitten. Soms kan je geluk hebben en een HP Z3805A voor €150,00 kopen waar een HP 10811 in zit! Soms heb je geluk en dan kan je deze al vinden voor 50,00...
Er zijn ook meerdere varianten. Bijvoorbeeld de 10811-60111 (zoals te zien op de foto), 10811A, 10811B en 10811D. De geometrie kan hiermee verschillen maar de prestaties zijn nagenoeg gelijk. De ene heeft onder andere coax aansluitingen aan de behuizing van de oven en de andere heeft alleen maar een printplaat "insteek kaart".
Deze afgebeelde oscillator is gepland voor een GPSDO project. Hiervoor is een ondersteunende print gemaakt. Een beschrijving hiervan staat hieronder beschreven.
|
|
aansluitingen HP 10811-60111 oscillator
|
| HP 10811 OCVCXO pin connections | | pin number | description | | 1 | 10 MHz oscillator output (sinewave) | | 2 | 10 MHz oscillator ground for pin 1 | | 3 | oscillator logic power input; +12 VDC nominal (+11...+13,5 VDC) approximately 40 mA | | 4 | oscillator logic power input ground for pin 3 | | 5 | EFC signal ground for pin 6 | | 6 | EFC signal (frequency fine adjustment) -5...+5 VDC for 1 Hz
connect to ground if not used | | 7 | not connected | | 8 | not connected | | 9 | not connected | | 10 | not connected | | 11 | oven state signal: cold/warming up = 1,5 VDC below oven voltage (pin 14) / warm: approximately 3,5 VDC | | 12 | not connected | | 13 | not connected | | 14 | oven power supply; +20...+30 VDC (maximum 500 mA) | | 15 | oven power supply ground for pin 14 |
|
|
oscillator hulpprint
|
Bovenstaande oscillator wordt voor een GPSDO project ingezet. Hieronder staat beschreven hoe een ondersteunende print is gemaakt voor de oscillator.
Uit "nader onderzoek" is gebleken dat de print onder de oscillator uitsluitend gebruikt is om de signalen door te geven en de oscillator te kunnen monteren en dat er geen elektronica meer in gebruik is. Er was al een chip verwijderd en een aantal weerstanden om de aansluitingen van de oscillator door te geven naar de contacten van de print. Hier waren draden aan gesoldeerd. Besloten is om een nieuwe print te ontwerpen vanwege een aantal voordelen, namelijk:
- geen overbodige vomponenten meer;
- compactere print;
- toevoeging van een 12 VDC regelaar zodat er maar één voedingsspanning nodig is
- toevoeging van een diode zodat de (dure) oscillator is beschermd tegen ompolen;
- aansluit mogelijkheid van oven monitoring signaal;
- toevoeging van ferriet kralen om de signalen van en naar de oscillator te zuiveren van hf storing.
Omdat het ontwerp relatief eenvoudig is, is besloten om het ontwerp met de hand te maken en te bouwen. Het is mogelijk om met software een print te ontwerpen en deze te laten etsen/frezen. Uit een afweging van tijd, kennis en geld is besloten om de print toch zelf te vervaardigen. Een afbeelding van het "creatieve proces" is hieronder te zien. Aanvankelijk was het plan om een koel element toe te voegen aan de 7812 spanningsregelaar, maar daar is van afgeweken. De spanningsval is ongeveer 12 VDC en de stroom is maximaal 40 mA. Dus de ontwikkelde warmte is nog geen half Watt. Wanneer de regelaar op de print is gemonteerd, is aangenomen dat het koper de warmte wel weg zal leiden.
Hieronder staat een foto van het resultaat vanaf de bovenkant gezien. De coax connector en de "card edge connector" zijn hergebruikt. Alle (niet hf) signalen zijn met ferriet ontstoord. De aansluitingen van links naar rechts zijn: 10 MHz uitgang, EFC ingang (-5...+5 VDC), oven monitor uitgang en +20...30 VDC voeding in. Er zijn test punten gemonteerd om draden aan te kunnen solderen. Het massa contact is iets naar de rand van de print gehaald. Dit met de gedachte dat coax mooier kan worden gemonteerd. De elco is met een draadje tegen de print bevestigd zodat deze mechanisch sterk bevestigd is. De elko is liggend gemonteerd omdat de hoogte tussen de print en de oscillator te beperkt is om een elco verticaal te kunnen plaatsen. De gaten van de print zijn met een boortje afgeschuind om per ongeluk massa contact te voorkomen.
Hieronder staat de onderkant van de print afgebeeld. Met een hand frees zijn alle sporen gefreesd. Met een kleine veil zijn de groeven nog een keer dieper/breder gemaakt zodat het zeker is dat er geen ongewenste contacten meer zijn. Na het solderen is de print vrij gemaakt van hars door middel van een tandarts haakje en met een messing borstel is het overige hars en vuil verwijderd.
Hieronder staat het eind resultaat. De print kan met vier boutjes worden gefixeerd. De componenten zijn "verstopt" onder de oscillator en de contacten zijn goed bereikbaar voor aansluiten van de bedrading.
Na controle op kortsluiting en meten van de spanningsregelaar, is de oscillator gemonteerd voor de "rook test". De test is geslaagd, er is geen rook ontsnapt. ;-) De stroom is 500 mA bij 24 VDC, zoals het hoort. Bij het opwarmen wordt de stroom beperkt tot maximaal 500 mA. Na vier minuten en 36 seconden schakelt het oven monitoring contact naar een lagere spanning ter indicatie dat de oven op temperatuur is. Ook de stroom van de oven loopt terug. Het duurt nog wel even voordat de oscillator de stabiele frequentie heeft bereikt. Ook het EFC contact werkt goed. Wanneer de spanning hoger wordt, daalt de frequentie en omgekeerd. Ook het uitgangssignaal ziet er prima uit. Het was de vraag of het hand gefreesde spoor negatieve invloed zou hebben op de signaalkwaliteit, maar daar lijkt gelukkig geen sprake van.
|
|
ontwerpwijziging basisprint
|
EMC
Ondertussen is mijn EMC kennis (sterk) vergroot door trainingen en studie. Hiermee ben ik ook tot de conclusie gekomen dat het oorspronkelijke ontwerp (sterk) verbeterd kan worden met het oog op EMC. EMC staat voor elektromagnetische compatibiliteit en komt er (erg) kort samengevat op neer dat een schakeling (of bijvoorbeeld machine) niet mag storen en niet gestoord mag worden. Storen kan door straling en geleiding. Het is mogelijk dat een radiofrequent signaal verspreid wordt via draden die dan als antenne gaan werken. Ook is het mogelijk dat storing via bedrading door wordt gegeven. In de praktijk zijn er nog veel meer mengvormen en combinaties, maar hiermee is wel de basis benoemd zonder in te veel detail te treden.
 | Volgens de EMC richtlijn (wetgeving) 2014/30/EU mag apparatuur geen signalen uitstoten boven een zekere grens (emissie) en dezelfde apparatuur mag niet gestoord worden tot een zekere grens van storing (immuniteit). |
praktijkervaring/impact
De praktijkervaring leert dat zelfs een oscillator op een print in een besturingskast ervoor kan zorgen dat de gehele machine faalt bij een compliance EMC meting. Een klein foutje of onvolkomenheid in een ontwerp kan grote gevolgen hebben. De meeste experimenteel radio onderzoekers kennen de seconde puls wel op de HF banden die zijn veroorzaakt door thermostaten van een niet nader te noemen cv-ketel fabrikant…
 | In de regel is het bekend dat de helft van alle elektronica EMC testen in een zogeheten meethuis de eerste keer falen. |
Als de helft van alle professionele printplaten faalt voor de EMC meting bij het eerste ontwerp is het aannemelijk dat dit ook van toepassing is op zelfbouwapparatuur. Dus goede EMC kennis en (beperkte) meetmiddelen zijn beslist van toegevoegde waarde.
basis regel
Afijn, met meer EMC kennis ben ik ook tot de conclusie gekomen dat het verstandig is om de schakeling aan te passen. In beginsel is de volgende regels van toepassing bij het ontwerpen van een printplaat/apparaat:
| Elk signaal (met uitzondering van de massa) dat verbonden is met een printplaat is met een afgeschermde kabel (coax) verbonden óf de aangesloten draden zijn ontstoord door middel van een ontkoppelcondensator. |
Omdat deze regel wat abstract lijk is een korte toelichting op de plaats. Wanneer bijvoorbeeld het opgewekte 10 MHz signaal via een “gewoon draad” wordt aangesloten, werkt de draad als antenne en zal deze draad een sterk (en ongewenst) elektromagnetisch veld uitstoten. Ontkoppelen via een condensator is onwenselijk omdat dit het hoogfrequent signaal dempt wat niet de bedoeling is. Vandaar dat radiofrequente signalen altijd via een afgeschermde kabel dienen te zijn verbonden. In de praktijk is een 50 Ohm coaxkabel gebruikelijk.
Het is bijvoorbeeld ook denkbaar dat de oscillator een stoorsignaal via het EFC draad uitstoot. De EFC draad heeft een gelijkspanning van -5…+5 VCD om de oscillator te “sturen”. Maar een ongewenst radiofrequent component dat via deze aansluiting uit de oscillator “ontsnapt” wordt wel via het EFC draad verspreid in de rest van de schakeling. En dit kleine signaal kan al voor storing zorgen. Omgekeerd is het ook mogelijk dat het draad met de gelijkspanning als antenne werkt en een sterk radiofrequent signaal opvangt en daarmee de oscillator beïnvloed. Kortom, als er géén radiofrequent signaal via een draad dat aan de print verbonden is gaat, dient de aansluiting voor het verlaten van de print ontkoppeld te zijn door middel van een condensator. In de meest ideale situatie wordt er zelfs een ferrietkraal toegepast per draad om radiofrequent storing te onderdrukken. Hieronder staat een stukje schakeling van de Icom IC-7100. Hier is een interne kabel volgens “het boekje” ontkoppeld met een condensator en ferrietkraal per draad. Juist zendontvangers hebben last van radiofrequentie signalen rond de schakeling, dus juiste ontkoppeling is van belang. De bekende merken hebben dit vaak goed onder controle. En het is verstandig om dit ook toe te passen op zelfbouwapparatuur.
het nieuwe schema
Hieronder staat het herziene schema. Er is uit praktische overweging een led en een weerstand toegevoegd om te herkennen dat er 12 Volt aanwezig is. Wanneer deze les licht geeft is er 24 VDC voedingsspanning én het 12 VDC circuit werkt. De kosten hiervan zijn minimaal, maar voor eventueel storing zoeken ideaal. Het opgewekte 10 MHz signaal verlaat de print via een 50 Ohm coax connector, dus daar is geen modificatie nodig. De overige signalen zijn nu wel ontkoppeld aan beide kanten. Ontkoppelen met een 0,1 uF condensator is een mooie waarde in dit geval. De condensatoren zijn aan de rand van de print geplaatst zo dicht mogelijk tegen de aansluitpennen. De plaatsing van de condensatoren is kritisch. Als de condensatoren onderling versprongen zijn, is het mogelijk dat er toch nog een stukje printspoor met een “vuil” signaal een reeds ontkoppeld signaal stoort en de storing alsnog wordt doorgegeven. Gebruik hierbij je gezonde verstand en logica. Nog verstandiger is het om twee of drie condensatoren in een stervorm te plaatsen rondom de pen. helaas is hier niet altijd de ruimte voor, maar in de praktijk is het resultaat het best. In dit geval is er ruimte zat en zijn er ook condensatoren aan de oscillator zijde geplaatst. Zo worden eventuele storingen uit de oscillator ook meteen weggefilterd. Ik ben een grote fan van SMD condensatoren omdat deze klein en relatief goedkoop zijn. Deze kunnen ook aan de onderzijde van de print rond de pennen geplaatst worden omdat de sporen omringd zijn met een “grondvlak”.
De ferrietkralen zijn volgens de theorie niet optimaal geplaatst, maar uit metingen is gebleken is dat de overgebleven hoeveelheid storing verwaarloosbaar is. Uiteraard waren er al condensatoren rondom de spanningsregelaar geplaatst om oscillatie van de LM7812 regelaar te voorkomen. Deze zijn hierop ongewijzigd. Hiermee is redelijkerwijs het maximale gedaan om de print EMC-proof te maken.
|
|