Eliminuje szum sieciowy z modulowanych częstotliwościowo oscylatorów RF LC

Próbuję zbudować oscylator LC z modulowaną częstotliwością, ale wszystkie obwody, które próbowałem, mają straszny szum sieci po demodultacji.

Oscylator jest dostrojony przez czujnik pojemnościowy, ale zamiast tego używam stałego kondensatora, dopóki nie rozwiążę tego problemu. Próbowałem różnych topologii: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley na różnych częstotliwościach od 60 do 500 MHz, ale nie ma między nimi różnicy pod względem szumu sieci. Używam odbiornika SDR do demodulacji, działa dobrze i nie może być źródłem szumu. Używanie baterii zamiast zasilania sieciowego nie pomogło. Do oddzielenia używam kondensatorów 10 µF i 10 nF. Zastosowanie fizycznie mniejszych induktorów trochę pomogło, ale hałas jest nadal nie do przyjęcia.

Jak zasugerowałem w komentarzach, przetestowałem wszystkie węzły obwodu z zasilaniem i bez obwodu, a komponent 50 Hz pojawia się tylko na wyjściu anteny.

Oto kilka rysunków PCB, może są błędy w routingu?

Ryc. 1: Topologia Vackářa, tranzystor to BF545C

Ryc. 2: Topologia Franklina, oba tranzystory to ATF-38143

[UPD:]

Przesyłam moją konfigurację i schematy zgodnie z życzeniem. Konfiguracja to tylko odbiornik SDR i oscylator z kawałkiem drutu na wyjściu jako prowizoryczna antena. Czujnik pojemnościowy C _var jest nieobecny, ponieważ zamiast tego używam stałego kondensatora C ₄ .

Ryc. 3a:

Ryc. 3b:

Ryc. 3c:

[UPD2:]

SNR przy 50 Hz wynosi 4,3 dB. Maksymalne odchylenie częstotliwości dla oscylatora Franklina wynosi 290 kHz, moc wyjściowa wynosi 7,8 dBm, poziom odbieranego sygnału wynosi –26 dBFS. Uziemienie laptopa nie ma znaczenia.

[UPD3:]

Zrobiłem nową płytkę z płaszczyzną uziemienia i niklowo-srebrną osłoną EMI. Dodałem regulator 1,8 V LD1117 oraz kondensatory odsprzęgające 100pF i 390pF NP0 - i nadal nie mam szczęścia. Nie ma znaczących zmian w wydajności hałasu. Niestety nie mogłem znaleźć żelaznej skrzynki, w której można umieścić cały obwód, ale jestem prawie pewien, że istnieją pewne sprytne techniki projektowania obwodów i PCB, które nie wymagają ekranowania magnetycznego. Na przykład przetestowałem odbiornik SDR na niedrogim nieekranowanym nadajniku FM: w ogóle nie słychać szumu, nawet przy maksymalnej głośności, więc winowajcą jest zdecydowanie konstrukcja obwodu i płytki drukowanej.

Oto kilka zdjęć tablicy (przepraszam za flux, próbowałem go usunąć, ale nie udało się)

Ryc. 4a:

Ryc. 4b:

Ryc. 4c:

Ponadto, jak zasugerowano w odpowiedzi poniżej, zarejestrowałem IF z mojego odbiornika SDR i wygenerowałem jego widmo przy niskich częstotliwościach.

Ryc. 5a: Bez osłony EMI

Ryc. 5b: Z osłoną EMI

[UPD4:]

To jest interesujące.

Zwiększenie C ₄ (patrz ryc. 3c) znacznie zmniejsza hałas. Spójrz na demodulowane widma sygnału (składowa 440 Hz to sygnał testowy zarejestrowany z czujnika do pomiaru SNR):

Ryc. 6a: C ₄ = 1,5 pF

Ryc. 6b: C ₄ = 2,7 pF

Niestety nie mam innych kondensatorów w zakresie od 1 do 10 pF do dalszych testów (oscylator nie chce się uruchomić z C ₄ ≥ 10 pF). Wydaje mi się, że szum linii AC wychwycony przez ślady PCB i L ₂ zmienia pojemność bramki J ₁ , a zwiększenie wartości C ₄ zmniejsza wpływ tych zmian na częstotliwość. Potwierdza to również dodanie silnego źródła hałasu, np. Telefonu komórkowego wykonującego połączenie. Na ryc. 6c widać duże skoki, a częstotliwość faktycznie wzrasta, gdy dodam źródło szumu, co oznacza, że ​​pojemność bramki J ₁ jest odwrotnie proporcjonalna do napięcia. Dla mnie to ma sens. Wygląda na to, że muszę albo zmniejszyć sprzężenie między J ₁ i czołg LC lub dodajcie filtrowanie górnoprzepustowe między nimi, ale nie jestem pewien, jaki jest najlepszy sposób.

Ryc. 6c:

Gomunkul (w komentarzach) i @ user287001 mogli nabijać większość problemu przydźwięku:

Prawdopodobnie to twoja sonda lub antena wychwytują szum z powietrza, ponieważ kondensator jest obwodem otwartym dla 50 Hz.

C6 może być kondensatorem niskiej jakości, który zmienia pojemność wraz z napięciem:

• Użyj tutaj dobrego kondensatora C0G (100 pf to prawdopodobnie za dużo) lub jednego przystosowanego do mikrofal.

• Zakończ antenę rezystorem uziemiającym, aby zmniejszyć pole elektryczne na C6 indukowane przez pobliskie urządzenia 50 Hz, światła.

• Dodaj stopień buforowy z ładnym niskim S12 między oscylatorem a anteną.

Tam jest inny możliwy mechanizm hum, nieco rzadziej ....
Ten oscylator z anteny można uznać za surowy odbiornik bezpośrednią konwersję: jego oscylacje służyć jako lokalnego oscylatora odbiornika. Przy tak niskim napięciu napięcia polaryzacji prądu stałego połączenia aktywnych urządzeń tego oscylatora mogą mieć znaczące zmiany pojemności ze zmianami napięcia. Tam, gdzie złącze widzi zarówno sygnał nadawany (silny), jak i odbierany (słaby), jego napięcie polaryzacji może się różnić, w zależności od zależności fazowej między dwoma sygnałami.

W oddali niektóre złącza diodowe mogą odbierać sygnał z twojego oscylatora. Tam, gdzie skrzyżowania te są również włączane i wyłączane podczas prostowania sieci 50 Hz, przesyłają ponownie 50 Hz. modulowany sygnał z powrotem do oscylatora za pomocą przewodów lub śladów. W UHF nawet krótki drut staje się sprzężonym elementem antenowym w tym 2-elementowym systemie. Modulowana dioda 50 Hz może wstrzykiwać zmianę fazy z powrotem do oscylatora. Jest charakterystycznie pełen harmonicznych, ponieważ te modulowane diody 50 Hz dość szybko przełączają się z włączania na wyłączanie. Harmoniczne 50 Hz widma wydają się dość silne.
Diody prostownicze zasilające prąd stały są często źródłem.
Obwody oświetleniowe LED mogą być kolejnym źródłem.
Twoja częstotliwość przesuwu telefonu komórkowego również obsługuje tę teorię.

Możesz przetestować to zjawisko za pomocą następującego (niekompletnego) obwodu:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Dipol półfalowy jest odcinany dla częstotliwości UHF badanego oscylatora. Jego dioda łączy się między każdym elementem 1/4 fali. Do włączania i wyłączania diody można użyć generatora funkcji 1 kHz zamiast oscylatora 555 1 kHz. Gdy ten obwód „komara” jest podłączony do anteny nadajnika, odbiornik monitorujący (AM PM lub FM) może wykryć sygnał 1 kHz. Odsunięcie tego obwodu „komara” od testowanego oscylatora powinno zmniejszyć słyszalną moc odbiornika monitorującego.

Na bok: ten sam mechanizm sprzęgający jest czasami obecny w radarach dopplerowskich i wykrywa ruchy alarmy kradzieży. W tym przypadku faza zmienia się, gdy odległość sygnału odbijającego różni się od oscylatora sygnału UHF.
Możesz uzyskać więcej wglądu, przeglądając „stroszenie z funkcją strojenia” lub strojenie.

Schemat jest niedokładny w prawdziwym modelu fizycznym, więc nie będzie działał zgodnie z oczekiwaniami na schemacie.

Na przykład, wasza odsprzęgająca nasadka 0,1 uF wynosi około 20nH w 2 odprowadzeniach o grubości 2 cm i 1 mm (est) i długości toru 1 cm. Tymczasem twój rezonator wykorzystuje 33nH, więc twój zasilacz ma słabą impedancję i, jak inni sugerują, być może potrzebne jest 100pF w małej czapce SMD. Ogólny układ jest zbyt duży bez płaszczyzny uziemienia i dlatego ma duży obszar anteny pętlowej do promieniowania i odbierania rozproszonych pól elektrycznych.

Zgadzam się, że większość twojego szumu wynika z dużego układu> 5% długości fali dla ścieżki zasilania, uziemienia i obwodu. Powoduje to, że jest podatny na promieniowanie i przewodzony hałas gruntu. Użycie baluna RF CM lub dławika RF CM jest niezbędne, aby zasilacz prądu stałego oddzielił go od uziemienia prądu przemiennego oprócz czapek RF, najlepiej 100pF NPO dla najniższego ESR.

Bez super wąskiego pasma IF Spectrum Analyzer (<100 Hz) do badania AM w porównaniu z FM, nie można powiedzieć, ile szumu jest w twojej SDR, a ile w Tx. Ale w obu przypadkach szum jest głównie w twoim projekcie LCO i ścieżkach zasilania / powrotu prądu stałego. Jeśli miałeś gen. Laboratoryjne RF. , możesz zweryfikować swój SDR i dobry RF SA w celu sprawdzenia źródła szumu.

Kiedy wykonaliśmy VCO w połowie lat 90. dla pasma ISM 928 MHz, stworzyliśmy niestandardowe hybrydy ceramiczne z niestandardowym metalowym szewem lutowanym nad hybrydą przylutowaną do podłoża GETEK FR4 z inną płaszczyzną uziemienia> 60 dB CNR (stosunek nośnika do szumu i niskiej fazy hałas dla pasma Tx 6 kHz wykorzystywanego do automatycznego odczytu licznika dwukierunkowego.

• Stała dielektryczna, styczna straty podłoża i pojemność ekranu odgrywały ważną rolę w projekcie i przypominam sobie, że w tym czasie 603 rozmiar 47pF NPO z 2-stopniowym RC LPF zastosowano do zmniejszenia szumu zasilania, aby obniżyć do 10 Ohm, a następnie zastosowano konstrukcję o niskim zaopatrzeniu wrażliwość na źródła prądu w przeciwieństwie do tego. Teraz Murata tworzy niskie limity ESL wynoszące 100 pF lub więcej, aby pokryć to spektrum, które jest szersze niż długie.

lekcje do nauki

• Jak obliczyć i zmierzyć indukcyjność, ESL i ESR drutów szynowych i elementów pasywnych.
• Jak sprawdzić poprawność RF za pomocą SA, aby wyodrębnić pierwotne przyczyny hałasu.
• Jak odkryć, jak krytyczny jest układ z opcjami płaszczyzn uziemienia, linii paskowej, mikropasków i osłon, aby zminimalizować zakłócenia za pomocą teorii falowodu, kontrolowanych impedancji, przesłuchu i czułości anteny i oddzielenie dostaw o niskim Q z odrzuceniem CM.
• To dopiero początek, a wiedza specjalistyczna sprawia, że ​​dobrzy inżynierowie projektowania RF mają więcej niż inni. (Nie uważam się za jednego, ale nauczyłem się od najlepszych.)

Ostatnie słowa

Jeśli opanujesz prawo Ohma dla RF za pomocą kalkulatorów impedancji torów, drutów i pojemności sprzęgania między linią paskową, możesz lepiej zrozumieć, jak używać Baluna do podnoszenia impedancji CM, a następnie tłumić obciążenia bocznikowe, kontrolując impedancję różnicową. Dotyczy to sieci PHY 1GHz, a także projektów oscylatora, dzięki czemu można obserwować podobne konstrukcje, aby zobaczyć te cechy i zastosować współczynniki impedancji i Q rezonatora, aby kontrolować wynikowy współczynnik SNR. Wszystko opiera się na złożonych stosunkach impedancji, takich jak dwuwymiarowa wersja prawa Ohma z impedancją reaktywną, a następnie zaczyna wyglądać prostiej z efektami apertury anteny. (Kierunkowa antena pętlowa)

Jeśli pomogą mniejsze cewki, obwód prawdopodobnie przechwytuje pola magnetyczne. Mogą być dość silne w pobliżu transformatorów lub lamp fluorescencyjnych.

Czujnik nie może znajdować się w innym miejscu niż na płytce drukowanej przy 500 MHz. Wydaje mi się, że wyczuwa przyspieszenie, wilgotność, trochę gazu lub ciśnienie. Prawdopodobnie możesz umieścić swój obwód w grubej miękkiej żelaznej skrzynce, która powoduje zwarcie zewnętrznych wiązek magnetycznych, nawet jeśli ma kilka otworów dla potrzebnego podłączenia do powietrza zewnętrznego. Potrzebujesz lokalnego regulatora napięcia, aby utrzymać pola AC poza napięciem roboczym 2 VDC.

Zsynchronizuj lunetę z zasilaniem sieciowym i zobacz, czy szum na ekranie lunety jest stabilny. Jeśli nie, twój obwód oscyluje w okolicach 50 Hz.

Sprawdź również, czy Twój obwód jest mikrofoniczny mechanicznie. Zrobiłem nadajnik, który (niechcianie) odbierał dość słabe wibracje.

Napisałeś: „50 Hz prąd przemienny jest obecny tylko na wyjściu anteny”. Prawdopodobnie twoja sonda lub antena wychwytuje szum z powietrza, ponieważ kondensator jest obwodem otwartym dla 50 Hz.

Hałas sieciowy + harmoniczne można również odfiltrować ze zdemodulowanego sygnału za pomocą oprogramowania filtrującego. Filtrowanie jest niezbędne na przykład w testach mózgu lub serca i czyszczeniu sygnałów audio.

Przetestuj swój odbiornik za pomocą innego nadajnika. Czy sam odbiornik jest pozbawiony przydźwięku?

Rozumiem, że oscyloskop jest drogi (chyba że mieszkasz w USA. Widziałem wiele tanich lunet do 500 MHz w serwisie eBay). Powinieneś dostać generator sygnałów i miliwoltomierz dla tych częstotliwości (możesz być w porządku z SDR dla miliwoltomierza, w zależności od tego, co masz). Na podstawie załączonych zdjęć podejrzewam, że oscylator w ogóle nie działa. Nie tak wygląda sinusoida (czy to 400 MHz, czy 50 Hz, sinusoida jest sinusoidą). Niezależnie od tego, jaki masz kształt, jest tak brzydki, że nawet nie możesz go nazwać. Spróbuj przeanalizować go w dwóch krokach: pierwszy krok, upewnij się, że możesz wzmocnić sygnał w tym zakresie. Drugi krok: sprawdź, co robi twoje dostrojone sprzężenie zwrotne w tym zakresie. Tak, potrzebujesz do tego generatora sygnałów. Możesz użyć SDR jako miliwoltomierza / zakresu, ale potrzebujesz generatora sygnału. Czy miałeś przydźwięk,