Kristallfilter 12.2880 MHz

[Ronny]

Mitt nästa projekt får bli att bygga ett bandpassfilter med de kristaller
jag inhandlade på förra årets ETA-auktion.
Köpte en påse med 100 st. oanvända kristaller tillverkade för frekvensen
12.2880 MHz vid lastkapacitansen 32 pF.

För kommande experiment behöver jag ett smalt bandpassfilter med
4 kHz 3dB-bandbredd centrerat vid ca. 12.29 MHz.
Jag har undersökt det hela och en filterkonstruktion med 3 st. ingående
kristaller är tillräckligt för den överföringsfunktion jag behöver.

Första delen i projektet får bli att sortera ut 3 st. kristaller som är så lika
som möjligt elektriskt sett.
Får ägna kvällen åt att bygga en enkel kristalloscillator med 74HCU04
och därefter med en frekvensräknare sortera fram kristallerna.

[MicaelKarlsson]

Låter spännande
Lycka till!

[Ronny]

Tack!
Provade väl ca. 30 kristaller i oscillatorkopplingen innan jag fick fram
några exemplar som var tillräckligt lika. Har nu valt ut 3 st. kristaller
med resonansfrekvenser som samtliga ligger inom ett och samma
5 Hz-intervall.

Fortsätter nu med att mäta en av kristallernas serieresistans och dess
serie- och parallellresonansfrekvenser.
Därefter får det bli beräkning av kristallens ekvivalenta elektriska
kretselement Lm, rs, Cm och Co. Sen kan jag börja designa filtret
med hjälp av kretssimulator.

[xxargs]

hmm - om du mätte med en piece-oscillatorkoppling så ligger frekvensen någonstan mitt i mellan serie och paralellresonansfrekvensen - där variationer i kristallens paralellkapasitans kan påverka dina mätningar.

du borde också prova med en serieresonansocillator och se frekvensen där då serieresonans är väldigt svår att rucka medans paralellresonansen kan man flytta omring lite med extra kapacitans parallellt med kristallen. serieresonansen kan man möjligen rucka en smula några Hz med en seriereinduktans - men inte mycket alls...

vad tänker du köra för filtergeometri - stege, brygga eller...

vad hade du för förhoppning på filterprestanda

kan ev hjälpa till med några hurra-rop!

ett råd - om du har möjlighet, är att mäta upp kristallerna med vectornätverksanalysator och få ut dess S-parametrar som man sedan stoppar in i sin RF-simulator (tex vipec duger för detta) - se dock till för vipec att värdena mäts upp i amplitude och angle och inte i dB och angle - skaparen av programmet har inte fixat importfiltret för de olika varianterna - har själv funderat att skriva om den många gånger samt stoppa in n-ports-stöd (tar bara 1 och 2 port idag) men har inte haft tid...

[Ronny]

xxargs: Det var bra synpunkter och tips!

Filtergeometrin blir stege och då får jag osymmetriskt S21 men det saknar
betydelse för mig i det här fallet. Övriga data som jag siktar på är
S21 bättre än -3dB över 2.7kHz av passbandet.
Räknar med ungefär 4 kHz 3dB-bandbredd och hoppas få ca. 2.7kHz
passband inom vilken S21 varierar mindre än 0.5dB.
S11 bättre än -10dB över 2.7kHz-passbandet.

10kHz ovanför centerfrekvensen vill jag ha minst 40dB dämpning relativt
centerfrekvensen. Systemimpedansen ska vara 50Ω.

Jag har fått fram parametrarna för kristallen nu och gjort lite beräkningar
och simuleringar. Fick öka generator- och lastimpedansen från 50Ω
till 320Ω för att få till en vettig överföringsfunktion.



Fick till en impedanstransformering från 50Ω till 320Ω på det
här sättet:



När jag satte ihop dessa delar fick jag finjustera lite på C1. Minskade
C1 från 94pF till 88pF och fick bättre S11, S21.
C1//C2 blir då 127pF tillsammans och jag byter värde på C1 och C2
som får standardvärdena 100pF och 27pF. På motsvarande sätt
ändras kondensatorerna på filterutgången.

Efter dessa justeringar får jag detta schema:




Edit: Flyttar bilderna till "eget filutrymme" och ändrar därför bildlänkarna.

[xxargs]

hmm - du kan inte dela med dig av dina kristallvärden - är nyfiken på vad det blir när jag stoppar in i RF-simulatorn...

Att man måste impedanstranformera är mer eller mindre standard när man skall koppla in sig mot kristallfilter (och alla andra filter också för den delen, även om den delen inte alltid är uppenbar i praktiska designen)

- Portimpedanserna är lika viktiga som resten av filtrets parametrar för önskad överföringsfunktion.

vad kör du för simuleringsprogram?

[Ronny]

Här är kristallparametrarna.
Du får ta antalet värdesiffror med en nypa salt. Jag har gjort ett
litet beräkningsprogram i OpenOffice Calc och itererat mig fram till
dessa parametrar (förutom rs) utgående från resonansfrekvenserna.

Lm= 4.965264 mH
rs= 9.6 Ω
Cm = 33.807299 fF
C0 = 7.384 pF

Jag har några varianter av SPICE och beräkningsprogrammet Octave
men saknar ett rent RF-simuleringsprogram. ViPEC måste jag prova.

[Ronny]

Bygger på en bit experimentkort...








Edit: Flyttar bilderna till "eget filutrymme" och ändrar därför bildlänkarna.

[Ronny]

Återstår att mäta kristallfiltret i praktiken...
Har en svepgenerator och ett oscilloskop (utan 50Ω-ingång) som jag tänker
koppla ihop för att mäta på filtret. Oscilloskopet ska jag köra i XY-läget och
vill ha en logaritmisk Y-axelvisning av överföringsfunktionen.

Nu får det bli ett projekt i projektet och bygga ihop en effektmeter med
kretsen AD8307 (logaritmisk förstärkare) som jag har frisamplat sedan
tidigare. Stort Tack till Analog Devices för prover på kretsarna!

Bygger återigen på en bit experimentkort.
Tar vad jag har i komponentaskarna...kan kanske behöva mer ström
från regulatordelen för framtida utbyggnad...




Edit: Flyttar bilderna till "eget filutrymme" och ändrar därför bildlänkarna.

[peter555]

Jag ser din jordning, visserligen är inte frekvensen så hög men duger banorna som jord tror du ? Det kanske skulle kompletteras med några plåtremsor för att få ner induktansen.

[Ronny]

Jag får mäta och se hur bra/dåligt det blir och sedan modifiera enligt
ditt förslag om det behövs.

Kunde ha gjort ett dubbelsidigt kort med jordplan men vill testa det
här byggsättet först.

[Ronny]

Några bilder på effektmetern










Edit: Flyttar bilderna till "eget filutrymme" och ändrar därför bildlänkarna.

[Ronny]

Har nu gjort mätningar på kristallfiltret.



I bilden nedan är inställningen SPAN = 10 kHz -> 1 kHz/DIV utmed x-axeln
Centerfrekvens = 12.287020 MHz
Signalgeneratorns sveptid inställd på 100 ms vid 10 kHz SPAN
Oscilloskopets y-kanal är inställd på 0.2 V/DIV -> 8 dB/DIV



I bilden nedan är inställningen SPAN = 20 kHz -> 2 kHz/DIV utmed x-axeln
Centerfrekvens = 12.287020 MHz
Signalgeneratorns sveptid inställd på 200 ms vid 20 kHz SPAN
Oscilloskopets y-kanal är inställd på 0.2 V/DIV -> 8 dB/DIV



I bilden nedan är inställningen SPAN = 100 kHz -> 10 kHz/DIV utmed x-axeln
Centerfrekvens = 12.287020 MHz
Signalgeneratorns sveptid inställd på 1 s vid 100 kHz SPAN
Oscilloskopets y-kanal är inställd på 0.2 V/DIV -> 8 dB/DIV




Edit: Flyttar bilderna till "eget filutrymme" och ändrar därför bildlänkarna.

[xxargs]

Inte pjåkigt alls! - och gillar speciellt 'mätteknikerandan' att man bygger dom nödvändiga mätbryggorna, detektorerna och instrumenten själv med små medel som behövs för att verifiera konstruktionen och inte sitter helt i händerna på för privatpersoner oöverkommligt dyra färdiga instrument som många använder inom industrin gör utan att förstå eller kan göra något alls utan dessa..

Nu är det nästan bara weathstonebryggan med transformatorbalun kvar att bygga för att du också skall kunna mäta skalär S11/S22 - bredbandig logaritmiska mottagaren har du ju redan! - restsistiv weathstonebrygga är den absolut bredbandigaste lösning man kan göra för direktionell funktion och fungerar från DC! - alla andra lösningar är frekvensberoende.

tyvärr fins inte AD83xx av lämplig sort med riktig balanserad RF-ingång - då hade man kunnat skippa balunen/trafon för sann mätning ända ned till DC...

Med 2-kanal DC-kopplad Ljudkort (om möjligt) eller extern AD-omvandlare (PIC eller liknande) med tillräklig upplösning och lämplig spänningsdelare så borde man i efterhand kunna berarbeta datat i tex matcad eller liknande.

Kompletterar du mottagaren med en(två) faskomparator (också AD83xx kretsar, 2st krävs eller två mätningar med omkoppling för kvadraturmätning om du kan fixa 90-grader förskjuten referenssigal från signalgeneratorn - detta för att kunna avgöra induktans/kapacitans i mätningen) så att du kan mäta fasvinkeln mellan generator och utgående signal, så kan du i prinsip bygga dig förutsättning för en lågfrekvent RF-nätverksanalysator med (inte så) lite programeringsinsats !! - och i långa loppet kunna ta upp S-parameter för senare analys och ihopkopplingar i RF-simulator. Med användning av analog faskomparator och logaritmisk detektor så slipper man kravet på snorsnabb A/D-omvandlare med stor dynamik och mycket hög datatakt när man skall mäta i många MHz - och någon av AD83xx fungerar till DC - och då även principellt för högtalarmätning



Just det här har jag funderat länge på att göra - men än så länge har jag tillgång till hp8753 nätverksanalysator på jobbet så behovet är inte akut..


Sådant här gjorde man förr för hand och räknesticka på några få uppmätta punkter med fasbrygga, vektorvoltmeter, RF-mottagare och en signalgenerator tillsamman med sedvanliga 3- dB splittar/kombiner (se hp:s Appnot 95 från typ 1969 - det finns modernare 'appnot 95' i webb/pdf-form från agilent idag men då baserat på senaste färdiga instrument och inte så mycket 'hands on' ala primitivt med matematiken bakom idag - jag har den 'gamle' i pappersform - men om intresse finns så kan jag tänka mig att scanna in den)

Det har egentligen aldrig funnits så bra möjligheter att bygga egna RF-instrument som idag, fina detektorkretsar från AD, MCU-kretsar med inbyggda A/D-omvandlare med hyffsat hög upplösning och styrmöjlighet, och laptop som beräknings och presentationsenhet, direkt-sekvens oscillatorer med hög renhet som signalgivare etc. etc.

---

(har varit ute på internetfri landsbyggd pga jobb sedan måndagen och har inte kunnat följa tråden förrän nu)

Skall prova dina kristallvärden i min simulator - tog några beräknade standardvärden på prov förut och resultatet såg inte bra ut alls, har inte luskat ut det är generellt (mät)fel i min uppkoppling eller om det är kristallparametrarna som är så viktiga för resultatet...

---

Själv är jag också lite känslig för RF på exprimentkort som andra redan nämt - man vill väldigt gärna ha en specifierad jordplan på andra sidan ledarna för att få impedanskontroll på tilledarna - men du verkar fått till det bra med tanke på rippelfrihet i passbandet.

[Ronny]

Tack för jättebra information och tips!
Jag håller med dig om att det aldrig har funnits så bra möjligheter
som idag att bygga egna RF-instrument med riktigt bra prestanda.
Möjligheter även för hobbyelektronikern med begränsade resurser.

Jag är naturligtvis intresserad av AN-95!
Hittade den ursprungliga applikationsnoten på den här adressen:

Hewlett Packard Archive

Direktlänk till dokumentet: HP-AN-95-1.pdf

Tack ändå för att du erbjöd dig att scanna in den till mig!