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VXO con risonatore ceramico. Frequenza variabile... ma con la stabilità del quarzo

VXO con risonatore ceramico

Un risonatore ceramico può essere usato nel cosidetto VXO (oscillatore a frequenza variabile al quarzo), perchè unisce ai vantaggi del quarzo, i vantaggi dell’oscillatore classico di tipo LC (VFO).

Non c’è alcuna differenza nella logica di progetto di un filtro o di un oscillatore che impieghi un risonatore LC piuttosto che uno ceramico od un quarzo, tranne il fatto che il Q molto più elevato offerto da questi ultimi dispositivi permette di realizzare circuiti che nel caso dei filtri sono molto più selettivi, e nel caso degli oscillatori, molto più stabili in frequenza, con il trascorrere del tempo. Il problema dell’oscillatore a quarzo nasce quando ci sia la necessità di farne variare la frequenza di oscillazione. In qualche modo bisogna abbassare il fattore di merito (Q) dell’elemento risonante aggiungendo in genere una induttanza in serie, e realizzando un cosiddetto VXO (oscillatore a frequenza variabile al quarzo). Nel circuito che presentiamo ora, vedremo usato al posto di un cristallo di quarzo, un risonatore di tipo ceramico, che di fatto unisce ai vantaggi del quarzo (stabilità in frequenza, pulizia spettrale del segnale prodotto e semplicità di montaggio), i vantaggi dell’oscillatore classico di tipo LC (VFO), cioè costo ridotto e possibilità di variare la frequenza del segnale generato.

vox_con_risonatore_ceramico_fig1

Alcune ditte fornitrici di componenti a RF come ad esempio le nostrane RF Microwave di F. Rota, o la Kalika di Trieste ovvero ancora l’americana Hy-Q [1], [2], [3], commercializzano o producono una serie di risonatori ceramici nella gamma di frequenze HF e quindi abbordabili per quelli che sono gli impieghi amatoriali.

In figura 2 e figura 4 sono riportati gli schemi elettrici di due oscillatori a frequenza variabile (VXO) che utilizzano proprio risonatori di tipo ceramico.

VXO per i 7 MHz con risonatore ceramico a tre terminali

Fig. 2 - VXO per i 7 MHz con risonatore ceramico a tre terminali

VXO per i 7 MHz con risonatore ceramico a tre terminali

Fig. 3 - VXO per i 7 MHz con risonatore ceramico a tre terminali

Esaminiamoli separatamente.
Il primo circuito progettato e realizzato dal radioamatore tedesco Udo Theinert DL2YEO [4], è stato progettato per la banda dei 40 m (7 MHz): un oscillatore a quarzo non potrebbe variare la sua frequenza per più di qualche kHz; un VFO potrebbe dare una variazione maggiore, ma ovviamente la stabilità in frequenza peggiorerebbe di molto. Il risonatore ceramico, quindi, è il compromesso migliore per ottenere entrambi questi risultati. Lo schema mostrato in figura 2 offre una range di variazione di frequenza di circa 35 kHz, unito ad una ottima stabilità in frequenza. Il circuito risonante sul collettore del transistor VT1 ha la funzione di filtrare meglio il segnale ottenuto, e quindi di contribuire alla pulizia spettrale dello stesso (attenuando eventuali armoniche di ordine superiore) e nel contempo compensa una diminuzione nell’ampiezza del segnale emesso dall’oscillatore, che inizia alla frequenza di 7020kHz , e dovuta alla caratteristica di trasferimento del risonatore stesso.

Per questo scopo, il circuito risonante deve essere tarato per la massima uscita alla frequenza di 7035 kHz, in modo che con la sua azione compensi questa diminuzione, portando il livello del segnale ad un valore costante su tutto il range di variazione della frequenza. L’alimentazione necessaria è di 6 V. Questo oscillatore può anche “funzionare in armonica” (il che significa che può essere fatto funzionare sulle armoniche superiori
del segnale emesso in origine); il circuito LC di uscita, quindi, può essere fatto risuonare sulle armoniche dei 7 MHz, cioè 14, 21 e 28 MHz. I valori dei componenti di questo circuito sono visibili nella tabella di fig. 3, ovviamente per la frequenza dei 7 MHz.

Passando al secondo circuito, cioè quello di figura 4, vediamo lo schema elettrico di un altro VXO, sempre basato sull’impiego di un risonatore ceramico. A differenza del circuito visto in precedenza, gli autori fra cui PY2OHH, hanno preferito usare un risonatore a due terminali.

Circuito di VXO da 1,5 a 15 MHz

Fig. 4 - Circuito di VXO da 1,5 a 15 MHz

Variazione dei valori dei componenti per il VXO di fig. 4Variazione dei valori dei componenti per il VXO di fig. 4

Fig. 5 - Variazione dei valori dei componenti per il VXO di fig. 4

La differenza sostanziale sta nel fatto che in quelli a tre terminali, all’interno del contenitore (vedi fig. 1), è presente una capacità, collegata fra ogni piedino del risonatore e la massa: in tale modo, quando si usa questo tipo di risonatore va tenuta in conto tale capacità (spesso di valore pari a 30 pF, quindi l’equivalente è una capacità da 15 pF in parallelo al quarzo risonante stesso). Questo non vuol dire che tali risonatori non vadano bene, ma soltanto che bisogna tenere in conto tale capacità e che se se ne può fare a meno, è meglio per il progettista.

Tornando allo schema elettrico vediamo una configurazione Colpitts , in cui il transistor funziona con 8 V di alimentazione (stabilizzata) a circa 8 mA di corrente assorbita. La parte risonante del circuito, che ne determina la frequenza di funzionamento, costituita dal risonatore, dal diodo 1N4007 usato come diodo a capacità variabile (varicap) di sintonia e dalla capacità variabile da 60pF, è collegata fra la base (ingresso) e la massa. Tutto il circuito a sinistra della parte risonante, cioè il potenziometro P1 e le resistenze associate, determina la tensione che va ad alimentare il diodo di sintonia, il circuito di RIT ed il range di sintonia, mediante le tensioni minima e massima che alimentano il catodo del diodo stesso. Secondo i risultati delle misure effettuate dagli autori di tale circuito esso è stato testato per frequenze comprese fra 1,5 e 15MHz, presentando ottime performance sotto ai 4 MHz, notevoli fino a 8 MHz, ed accettabili oltre questa frequenza.

I componenti vanno in parte modificati nei loro valori, al variare dei vari campi di frequenza, secondo quanto riportato in figura 5; in particolare i valori dell’induttanza in serie al risonatore vanno rispettati e non è consigliabile aumentarli in quanto oltre i limiti suggeriti si corre il rischio di provocare una cattiva stabilità in frequenza nel VXO, in modo tale da non potere più fruire dei suoi vantaggi. Gli autori riportano anche di avere fatto prove analoghe con componenti oscillanti attivi quali gli integrati NE/SA612 o NE/SA602 o TA7358, sempre con risonatori ceramici, ottenendo risultati comparabili con quanto ora riportato.

A questo punto il suggerimento è stato dato, ora tocca a noi proseguire su questa strada, se la riteniamo adatta ai nostri scopi di autocostruttori: ognuno potrà valutare le possibilità, in base a ciò che ha nel proprio “cassetto”, senza la necessità di fare acquisti che con il costo odierno dei componenti, non sempre sono di entità trascurabile. Si pensi che nel “progetto 28322” [5], (una serie di stazioni beacon operanti sulla frequenza dei 28.322 MHz a bassissima potenza), i quarzi che servono per detti trasmettitori, si possono ricavare da vecchie schede di PC di circa 20 anni fa, ovvero acquistare sul mercato italiano al modico prezzo di.. 4-5Euro. Non è pochissimo! Per cui frughiamo in quel che abbiamo da parte e diamoci da fare a costruire qualcosa di nuovo e.. divertiamoci!

radiokit elettronica

 

 

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ritratto di Orionis

Oscillatore stabile a 13.4218 MHz

Salve a tutti perchè non so chi leggerà questa nota.
Premetto che pur essendo un elettronico non mi sono mai occupato di alta frequenza e quando mi serve un oscillatore uso quarzi standard o moduli integrati.
Questa volta l'esigenza è diversa.
Per un progetto di un DDS serve un oscillatore con frequenza fuori norma, ovvero i 13.42177 citati.
La domanda è: posso arrivarci con un quarzo standard da 13.56MHz starandolo (C e L) ?
Oppure posso usare il circuito 2 sopra descritto con sufficiente stabilità (es. 25ppm) ?

Scusatemi per l'ignoranza sull'argomento e se mi sono intromesso qui.

ritratto di A.M. Progettista elettronico

Alcuni consigli

1) La domanda è: posso arrivarci con un quarzo standard da 13.56MHz.
1R) La risposta è: dipende dal fattore di qualità del quarzo che usi. Secondo il mio modesto parere, difficilmente riuscirai a spostare di così tanto la frequenza del quarzo.
2) Posso usare il circuito 2 sopra descritto con sufficiente stabilità (es.25ppm)?
2R) Non ho mai usato risonatori ceramici. Sicuramente il loro fattore di qualità è inferiore a quello tipico di un quarzo. Partendo da una frequenza prossima a quella voluta potresti riuscire nel tuo intento.

Per quanto riguarda la stabilità in frequenza del tuo oscillatore dipende da numerosi fattori. Un quarzo a seconda del tipo di taglio ha un diverso comportamento in temperatura. Un quarzo commerciale di taglio AT dovrebbe garantirti +/-10ppm anche in un range ampio di temperature (-20°C/+60°C e oltre).
Per quanto riguarda un risonatore ceramico non ne ho idea. Stabilità più alte al variare della temperatura si possono ottenere con quarzi scelti, TCXO o al meglio OCXO.
Indipendentemente dal tipo di risonatore scelto la stabilità in frequenza (non mi riferisco al phase noise) dipende anche da 2 parametri fondamentali detti PULLING (variazione della frequenza di oscillazione al variare del carico dell'oscillatore) e dal PUSCHING (variazione della frequenza di oscillazione dovuta alla variazione della tensione di alimentazione del circuito). Per ovviare a questi inconvenienti ti consiglio 2 accorgimenti. Un regolatore di tensione per alimentare l'oscillatore e un attenuatore in uscita per stabilizzare l'impedenza di carico. Se non ti puoi permettere di perdere potenza di uscita prevedi un buffer (esempio un collettore comune).
Trascuri di parlare di phase noise e questo è strano, ne deduco che la scelta del risonatore (quarzo o ceramico) sia legata unicamente al valore della frequenza.
Se effettivamente il phase noise non è un problema potresti pensare ad un semplice Colpitts con risonatore a parametri concentrati. In tal caso, anche prevedendo una fase di taratura preliminare, osservaresti una deriva della frequenza di oscillazione dovuta alla variazione di temperatura del circuito. Dubito che questa sia la strada giusta.
In finale hai poche scelte. Provi a trovare un risonatore con frequenza di oscillatore molto prossima alla frequenza voluta oppure realizzi la frequenza voluta mediante un PLL (Oscillatore al quarzo come riferimento, semplice VCO con una banda di trascinamento che include la frequenza voluta e sintetizzatore come phase detector) con un sintetizzatore frazionario. Credo che la Analog Device produca questi oggetti a costo contenuto.

 

 

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