In dit artikel bespreek ik mijn zelf ontworpen 10 MHz frequentie bron met OCXO.

Een OCXO is een temperatuur gestabiliseerde kristal oscillator met een hoge frequentie stabiliteit. De gebruikte OSC5A2B02 OCXO geeft een blokgolf HCMOS uitgangssignaal van 5 volt. De frequentie is nauwkeurig af te regelen via de Vref ingang, hiermee is een 10 MHz uitgangssignaal met een nauwkeurigheid en stabiliteit van beter dan 0,2 Hz te realiseren. Dit komt overeen met een stabiliteit < 20 PPB

Nadat de OCXO schakeling met een externe frequentie bron is geijkt, is het een ideale low cost inbouw frequentie standaard voor meetapparatuur, zoals een frequente teller. De nauwkeurigheid en stabiliteit van deze schakeling is ruim voldoende voor het afregelen van oscillators in HF, VHF en UHF transceiver's en dat is precies het doel waar deze schakeling voor ontworpen heb.

Ik heb de printplaat laten fabriceren bij PCBWay. De Kwaliteit van de geleverde PCB's is hoog, teksten zijn goed leesbaar, componenten passen goed en alle afmetingen kloppen goed. De print is uitstekend te solderen en ik ben zelf bijzonder tevreden met het eindresultaat.

• Uitgangsfrequentie 10 MHz
• Uitgangsspanning 5 Volt 10 MHz HCMOS blokgolf
• Stabiliteit en nauwkeurigheid na ijking < 20 PPB

• Voedingsspanning 11 - 16 Volt DC
• Opgenomen stroom tijdens opwarmen eerste drie minuten < 0,6 Ampere
• Opgenomen stroom steady state < 0,25 Ampere
• Voeding HF ontkoppeld met spoeltjes

• Opwarmtijd circa 5 minuten
• Hoge stabiliteit voor metingen na 30 minuten.
• Stabiliteit en nauwkeurigheid na ijking < 20 PPB

• PCB afmetingen: lengte 9 cm, breedte 6 cm, hoogte 2,8 cm

• Twee PCB signaal uitgangen
  1. Direct
  2. DC ontkoppeld met 100 pF en 50 Ohm serie weerstand

• De ontkoppel componenten van uitgang en voeding zijn naar eigen inzicht via soldeer-pads eenvoudig te overbruggen.
• Alle aansluitingen met standaard male pinheaders 0,1 Inch.

Heb je belangstelling om een kant en klaar, afgeregeld exemplaar te kopen? Laat het weten. bart@pa7elf.nl

Ik heb deze OCXO print ontworpen als inbouw frequentie bron voor mijn eigen frequentie teller. Deze zelfgebouwde teller had oorspronkelijke een standaard kristal van 10 MHz als referentie bron, maar dat bleek niet nauwkeurig genoeg voor het afregelen van mijn zendapparatuur. De frequentie verliep door temperatuurverschillen en was over tijd ook niet stabiel genoeg. Ik had deze teller in het verleden al voorzien van een TCXO een Temperatuur Compensatie Xtal Oscillator, maar deze bleek helaas een heel stuk naast de gespecificeerde 10 MHz te staan en die TCXO was niet instelbaar, dus niet te ijken.

Met een goedkope TCXO is het hit or miss en daarom ging ik op zoek naar een betrouwbare en nauwkeurigere frequentie referentie voor mijn frequentie teller en kwam ik al snel de OCXO de Oven Controlled Xtal Oscillator tegen. De OCXO heeft oventje met daarin het oscillator kristal en de oscillator schakeling. Dit kleine oventje wordt met een ingebouwd regelcircuit op een constant temperatuur gehouden. Hierdoor heeft een verandering van de omgevingstemperatuur geen merkbare invloed en is de OCXO een orde van grote nauwkeuriger als een TCXO

Nadat ik mij verdiept had in de verschillende merken en types OXCO's die er te koop waren, heb ik gekozen voor een gebruikte OSC5A2B02 van CTI Dit is een stabiele en professionele OCXO die in basisstations van telecom apparatuur zoals GSM masten werd gebruikt. De gebruikte exemplaren zijn te koop voor een fractie van de nieuwwaarde waardoor je voor weinig geld een OCXO van goede kwaliteit hebt. Een tweede voordeel, de OCXO is al een poos in gebruik geweest, waardoor je geen rekening meer hoeft houden met het relatieve hoge verloop in het eerste jaar van een nieuw ongebruikt exemplaar. Door voor een gebruikt exemplaar te kiezen heb je een professionele OCXO die al goed ingebrand is, voor een lage prijs.

• CTI OSC5A2B02 vertaald
• CTI OSC5A2B02 chinees
• CTI OC25 serie zelfde specificaties Engels
• CTI OSC5A2B02 afmetingen

Bij metingen van de uitgangs frequentie is duidelijk te zien dat het uitgangsfrequentie van de OSC5A2B02 OCXO verloopt tijdens het opwarmen van de oven. Na en half uur is er geen verloop meer te zien en is het uitgangssignaal stabiel en geschikt als frequentie bron voor metingen. Laat de OCXO dus minmaal en half uur opwarmen voordat je een meting doet. Tijdens de eerste drie minuten is het stroom verbruik ongeveer 0,5 A (< 0,6 A volgens de specificaties). Zodra de oven temperatuur in de buurt van de werktemperatuur komt zakt de stroom terug naar circa 0,23 A (< 0,25 A volgens de specificaties)

Wordt de OCXO frequentie bron in een meetapparaat ingebouwd dan is het handig om de voeding van de OCXO voor de DC aan/uit schakelaar aan te sluiten. Zodra je het meetinstrument op netspanning aansluit begint de OCXO op te warmen je hoeft de rest van het meetinstrument hier niet voor in te schakelen. Is dit niet mogelijk omdat de aan/uit schakelaar van het meetinstrument in het netcircuit zit, dan kun je overwegen om een aparte 12 Volt 1 Ampere voeding in te bouwen en deze voor de netschakelaar aan te sluiten.

Voor het ijken wordt bij voorkeur GPSDO of een exact ingestelde rubidium atoomklok gebruikt. Daarnaast heb je een fase meter of oscilloscoop met X-Y ingang nodig voor het meten van het fase verschil tussen de OCXO en de IJkbron. Een frequentie teller voor de grof instelling is ook handig. Het is handig om na het ijken de instel potentiometer af te lakken, bijvoorbeeld met goedkope nagellak. Zo kan de potentiometer niet meer per ongeluk verdraaid worden.

De IJkprocedure bestaat uit eerst grofinstelling en daarna fijn afregelen.Bij de grof instelling wordt de OCXO in de buurt van 10 MHz afgesteld, zodat fasemeter nog maar langzaam verloopt of de oscilloscoop een enkelvoudige langzaam bewegend Lissajousfiguur laat zien. Bij de fijnafstelling wordt de Vref potentiometer voorzichtig verdraaid om fasemeter of Lissajousfiguur helmaal stil te zetten. Hierbij is het streven dat een hele cyclus van 360° langzamer verloopt dan 100 seconde. Dit geeft bij een frequentie van 10 MHz een ijknauwkeurigheid van 1 PPB gelijk aan 10E-9 Dit is ruim binnen de gespecificeerde lange termijn stabiliteit van van de OSC5A2B02 OCXO. Nauwkeuriger ijken heeft geen zin.

Ik denk graag na over een goed ontwerp. Hieronder leg ik aan de hand van het schema uit welke ontwerpbeslissingen ik gemaakt heb en hoe ik tot deze beslissingen gekomen ben.

• Schema PA7ELF Frequency reference with 10 MHz oven crystal

Alle aansluitingen op de printplaat zijn uitgevoerd met standaard male pinheabers met een afstand van 0,1 inch. Dit is ruim voldoende voor een signaal van 10 MHz in een afgeschermde kast. De schakling kan eenvoudig aangesloten worden met standaard female bedrade pinheabers, of met losse female pinheabers. Hier kan naar eigen inzicht coaxiaal- en voedingskabel aangezet worden.

De voedingsaansluiting is als drie pins aansluiting uitgevoerd. De middelste pin is plus de buitenste twee massa Bij gebruik van een drie pins connector voorkom je verwisselen met de uitgangsconnector en is de kans van verkeerd aansluiten van de voedingsconnector klein. De ingang van de voeding is ontkoppeld met twee spoeltjes, een in de plus en een in de min. Als de OCXO schakeling in bijvoorbeeld een frequentieteller is ingebouwd, wordt hiermee voorkomen dat er een ongewenst 10 MHz signaal over de voedingsdraden naar andere delen van het instrument kan lopen Deze spoeltjes kunnen naar wens via een soldeer brugje eenvoudig overbrugt worden.

Een van de montage gaten heeft een geleidende ring met de optie om deze ring via een soldeer brugje met het massavlak van de printplaat te verbinden. Ga voor het gebruiken van deze optie na of je geen ongewenste aardlussen creëert

De PCB heeft twee uitgangen. De interne uitgang is rechtstreeks op de massa en uitgang van de OCXO aangesloten. De externe uitgang is DC ontkoppeld. Bij deze uitgang is de massa en de de signaal uitgang met een 100 pF condensator ontkoppelde. De signaal uitgang heeft ook een 50 Ω serie weerstand. Zowel de condensators als de 50 Ω weerstand zijn via een soldeer brugje eenvoudig te overbruggen. Ga voor het gebruiken van deze optie na, of je geen ongewenste aardlussen creëert.

Voor het gebruik van het 10 MHz signaal is in veel gevallen één aardaansluiting, via voeding of chassis aansluiting voldoende. Om de massa van de voedingsleiding ook als signaal massa te gebruiken overbrugt je het massa spoeltje. YMMV.

Uit de datasheet van de OSC5A2B02 is een aantal dingen af te leiden.

• De power supply stability is ≤ 2 PPB voor 5% spanning variatie van de 5 volt voeding.
• De tuning range voor het instellen van de frequentie van de OCXO loopt van 0 - 4 Volt en heeft een bereik van - 2 tot + 2 PPM.
• De modulatie bandbreedte van Vref is minimaal 10 kHz.

Er valt dus stabiliteit winst te halen met een strak gestabiliseerde voedingsspanning. Een goed afgevlakte instelbare Vref is een must. Daarom heb ik voor zowel Vcc als Vref gekozen voor een tweetrap spanningsstabilisatie.

Als uitgangspunt heb ik een 12 volt voedingsspanning gekozen, zo is er genoeg regelbereik. Later bereken ik de maximale en minimale voedingsspanning. Ik maak bewust gebruik van een analoge voedingsregeling en maak geen gebruik van een geschakelde voedingen om het risico van ongewenste signalen uit te sluiten. De voedingsspanning van 12 Volt wordt in de eerst stap teruggebracht naar 9 Volt met een 7809. In de tweede stap wordt deze spanning teruggebracht naar 5 Volt met een 7805 voor de hoofdvoeding van de OCXO. De 7809 vangt de grootste spanningsvariaties op en mocht de uitgang van de 7809 nog iets variëren dan worden de variaties opgevangen door de 7805. Alle regelaar zijn voorzien van hun eigen dubbel uitgevoerde ontkoppel condensators, om trancients te onderdrukken en oscillatie te voorkomen.

Uit de datasheet van de OSC5A2B02 is af te leiden dat er een redelijk spreiding is voor Vref en dat deze instelbaar moet zijn over een range van 0 tot 4 Volt. Dit werd bevestigd door de metingen aan de verschillende exemplaren die ik gekocht heb. De waarde voor het instellen van 10 MHz ligt bij mijn exemplaren tussen 2 en 4 Volt. Hiermee is duidelijk dat er een groot regelbereik nodig is voor Vref. Wat in de datasheet ontbreekt is een waarde voor Iref de opgenomen stroom van de referentie ingang. Bij meten blijkt dit < 0,1 μA te zijn en nauwelijks te variëren bij veranderen van van Vref. Dit is een belangrijke waarde voor het maken van een goed ontwerp.

Voor het maken van Vref heb ik gekozen voor een precies shuntregelaar van 5 volt, LT1029 of LM336 Z5. Deze shuntregelaar's hebben een hoge temperatuur stabiliteit en dat is een must voor de referentie spanning van de OXCO. Een belangrijk voordeel van deze shuntregelaar's is de hoge temperatuur stabiliteit. Dit is een must voor een temperatuur stabiele Vref. De stabiliteit is beter dan 1 mV over een temperatuur bereik van 0 tot 100 °C. Dit vertaal zich naar OCXO frequentie stabiliteit van beter dan 1 PPB en hierdoor geen merkbare invloed heeft op de frequentie stabiliteit van de OCXO.

De shuntregelaar wordt met een serieweerstand gevoed uit de 7809 en heeft hierdoor al een goed gereguleerde ingangsspanning. Hierdoor zal er nauwelijks variatie in de stroom van de shuntregelaar optreden, wat de stabiliteit van de uitgangsspanning ten goed komt.

Voor het instellen van Vref heb ik gekozen voor een potentiometer schakling achter de shuntregelaar. Voor de stroom door de potentiometer kies ik 1 mA. De belasting door Iref is hierdoor meer dan 10.000 keer lager waardoor de spanningsdeling in de potentiometer, nauwelijks wordt beïnvloed. Ik heb geen variatie in Iref gemeten, die de spanningsdeling in de potentiometer kan beïnvloeden. Hierdoor zal de de uitgangsspanning van de potentiometer schakeling en dus Vref dezelfde stabiliteit als de stuntregelaar waar de potentiometer op aangesloten is hebben.

Voor de potentiometer heb ik gekozen voor een 25 slag instel trimmer van het kwaliteitsmerk Bourns. Dit geeft een stabiele en nauwkeurig instelbare referentie spanning om de OCXO tijdens de ijkprocedure exact op 10 MHz in te stellen. Dat bleek een goed zet te zijn, want bij de ijkprocedure bleek een 25 slaguitvoering geen overbodige luxe te zijn. De instel stapjes om het faseverloop helmaal naar nul terug te draaien zijn nog steeds heel klein.

Er zijn meerdere reden waarom ik in dit ontwerp voor een een dubbel voedingsregeling heb gekozen. De eerste is een hoge stabiliteit van Vref en het maximaal afvlakken van transcient's die op de aangeleverde voedingsspanning aanwezig kunnen zijn. De tweede reden is het verdelen van het thermische gedisipeerd vermogen over twee regelaars. Hierdoor blijft de temperatuur van beide regelaars laag wat gunstig is voor de stabiliteit en levensduur van de schakeling. Ik maak bewust gebruik van een analoge voedingsregeling en niet van een geschakelde voedingen om het risico van ongewenste signalen uit te sluiten.

In mijn opleiding heb goed datasheets leren lezen en veel aan schaklingen gerekend en dat doe ik nog steeds graag. Het voordeel van lezen van datasheets en het maken van berekeningen is een voorspelbaar gedrag van de schakling die ik bouw. Hierdoor ben ik minder tijd kwijt met experimenten en het is altijd bevredigend om na het bouwen te zien dat het resultaat dicht bij mijn berekeningen uitkomt.

Bij de gebruikte shuntregelaar's worden de specificaties gegeven bij een shuntstroom van 1 mA, dit is de stroom waarbij ze het beste resultaat geven. De minimale stroom waarbij deze shuntregelaar's nog betrouwbaar werken is 0,7 mA

Voor de potentiometer schakeling is gekozen voor een stroom van 1 mA de waarde van de instel trimmer wordt dan: `(5V)/(1mA) = 5 KΩ` De serie weerstand van de shuntregelaar wordt aangesloten op de 9 Volt uitgang van de 7809. De stroom door serieweerstand voor de shuntregelaar en de potentiometer die parallel staat aan de shuntregelaar is `1mA + 1mA = 2 mA` De spanningsval over de serieweerstand is `9 V - 5 V = 4 V`. De waarde van de serie weerstand is

`Rshunt = (9V - 5V)/(1mA + 1mA)= 2k`

`Rshuntmax = (9V - 5V)/(1mA + 0,7mA)= 2,35k`

Is 2 KΩ niet voorhanden kies dan bij voorkeur een iets kleinere waarde bijvoorbeeld 1K96 van 1% om te voorkomen dat de stroom door de shuntregelaar te laag wordt waardoor deze niet meer goed werkt. Een 2K2 weerstad met en tolerantie van 5% heeft een maximum waarde van 2,31 KΩ en zit daarmee al op het randje van de maximum shuntweerstand.

Omdat er door de 7809 en 7805 bij opwarmen een redelijk hoge stroom loopt is het de moeite waard om een breking voor de thermische belasting van beide regelaars te maken om te bepalen of ze an een koelvin voorzien moeten worden. Eerst maak ik een berekening om te bepalen wat de maximale warmte weerstand van een koelvin mag zijn.

Beide regelaars hebben hun maximale warmte ontwikkeling tijdens de opwarmfase van de OCXO omdat dan de hoogste stroom door de regelaars loopt.

Basis voor de beperkingen:

• De maximale junction temperatuur van de regelaar's is Tj is 125 °C
• Warmte weerstand van junction naar behuizing 0,5 C/W
• De omgevingstemperatuur Ta is 25 °C
• Initiële voedingsspanning 12 Volt
• Maximale opwarm stroom maximaal 0,6 Ampere
• Stay site stroom maximaal 0,25 Ampere

Maximaal gedissipeerd vermogen 7805:

• Tijdens opwarmfase: `Pmax = (9V - 5V)*0,6A = 2,4W`
• Tijdens steady state: `Pmax = (9V - 5V)*0,25A = 1W`

Maximaal gedissipeerd vermogen 7809:

• Tijdens opwarmfase: `Pmax = (12V - 9V)*0,6A = 1,8W`
• Tijdens steady state: `Pmax = (12V - 9V)*0,6A = 0,75W`

De hoogste warmte ontwikkeling ontstaat bij 2,4 Watt, dit is de basis voor breking van de maximale warmte weerstand voor de koelvin.

Maximale warmte weerstand van koelvin: `((125C - 25C) / (2.4W)) - 0,5"C/W" = 41 "C/W"`

Ik heb gekozen voor de UK14 SA 220 koelvin van Fischer Elektronik. Dit is een compacte U vorige koelvin die weinig ruimte inneemt en met een M3 schroefje op een staande spanningsregelaar gemonteerd kan worden. De warmte weerstand van deze koelvin is 20 K/W wat equivalent is met 20 C/W

• Datasheet Fischer Elektronik UK14 SA 220
• In Nederland voordelig te koop bij Haje Electronics

Maximale temperatuur van de 7805 met de gekozen koelvin en een voedingsspanning van 12 Volt.

• Tijdens opwarmfase: `Tj = (20"C/W" + 0,5"C/W") * 2,4W + 25C = 74,2C`
• Tijdens steady state state: `Tj = (20"C/W" + 0,5"C/W") * 1W + 25C = 45,5C`

Maximale temperatuur van de 7809 met de gekozen koelvin en een voedingsspanning van 12 Volt.

• Tijdens opwarmfase: `Tj = (20"C/W" + 0,5"C/W") * 1,8W + 25C = 61,9C`
• Tijdens steady state state: `Tj = (20"C/W" + 0,5"C/W") * 0,75W + 25C = 40,4C`

De zijn allemaal relaxte waardes.

De minimale spanningsval, Vdrop die een 7809 nodig heeft om goed te functioneren is 2 Volt. De minimum voedingsspanning van de schakeling is: `Vmin = 9V + 2V = 11V`

De maximale voedingsspanning is de waarde waarbij de 7809 met de gekozen koelvin niet oververhit raakt.

`Pmax = ((125C - 25C) / (20 "C/W" - 0,5"C/W")) = 4,87 W`

De maximale spanningsval Vdmax over de 7809 tijdens de opwarmfase is:

`Vdmax = 4,87W / 0,6A = 8,11V`

De maximale voedingsspanning:

`Vmax = Vdmax + 9 V = 8,11V + 9V = 17,11V`

Voor wat extra speling in de thermische huishouding, hou ik voor dit ontwerp een Vmax van 16 Volt aan.

• `Vmin = 11 " Volt"`
• `Vmax = 16 " Volt"`

De maximum Junction temperatuur in steady state en 17,11 Volt voedingsspanning is lager, omdat er in steady state minder stroom door de 7809 loopt.

• Steady state: vermogen `Pmax = (17,11V - 9V)*0,25A = 2,03W`
• Steady state junction temperatuur: `Tj = (20"C/W" + 0,5"C/W") * 2,03W + 25C = 66,6C`

De hierboven berekende waardes zijn 'worst case scenario'. De gemeten opwarm- en steady state stroom liggen lager dan de in de datasheet gespecificeerde maximale waardes. De maximaal gemeten opwarmstroom is 0,57 Ampere. De maximaal gemeten steady state stroom is 0,23 Ampere. Hierdoor zullen de werkeljke temperaturen lager zijn dan de berekende temperaturen.

De 10 MHz OCXO frequency reference ingebouwd in mijn al vele, vele malen verbouwde frequentie teller.

Een tweede 10 MHz OCXO frequency reference is door mijn broer PG0V ingebouwd in zijn Rotex RFC-250. De Rotex werkt met een referentie van 1 MHz, daarom wordt 10 MHz van de OXCO met een 7490 door tien gedeeld.

De 7490 bestaat uit een tweedeler en een vijfdeler. In deze schakeling is de uitgang van de OCXO aangesloten op de ingang van de vijfdeler en de uitgang van de vijfdeler is aangesloten op de ingang van de tweedeler. De uitgang van de tweedeler geeft een mooie symmetrische TTL blokgolf van 1 MHz, die op de oscillator ingang van de Rotex is aangesloten. Het oorspronkelijke kristal van 1 MHz is verwijderd Belangrijk detail, de afvlakcondensator van ca 10 nF over de Vcc en Gnd aansluiting van de 7490.