周波数変調RF LC発振器からの主電源雑音の除去

私は周波数変調されたLC発振器を作ろうとしています、しかし、私が試みたすべての回路は復調の後にひどいハムを持っています。

発振器は静電容量センサーによって調整されていますが、私はこの問題を解決するまで、代わりに固定コンデンサを使用しています。 Franklin、Clapp、Vackář、Hartleyなど、60〜500 MHzの異なる周波数でさまざまなトポロジを試しましたが、電源ハムに関しては違いはありません。私は復調にSDR受信機を使用しています、それはうまく機能し、ハムの原因になることはできません。 AC電源の代わりにバッテリーを使用しても役に立ちませんでした。デカップリングには10 µFと10 nFのコンデンサを使用しています。物理的に小さなインダクタを使用することは少し役に立ちましたが、ノイズはまだ受け入れられません。

コメントで示唆されているように、私は回路に電力を供給することとしないことですべての回路ノードをテストしました、そして、50Hz成分はアンテナ出力だけに現れます。

ここにいくつかのPCB図面があります、おそらくルーティングに間違いがありますか?

Fig. 1: Vackář topology, the transistor is BF545C

Fig. 2: Franklin topology, both transistors are ATF-38143

[UPD:]

要求通りに私の設定と回路図をアップロードする。セットアップは、単なるSDRレシーバーと、その出力に一時的なアンテナとして1本のワイヤを持つ発振器です。代わりに固定コンデンサC 4 を使用しているので、静電容量センサーC var はありません。

Fig. 3a:

Fig. 3b:

Fig. 3c:

[UPD2:]

50 HzでのSNRは4.3 dBです。フランクリン発振器の最大周波数偏移は290 kHz、出力電力は7.8 dBm、受信信号レベルは–26 dBFSです。ラップトップを接地しても違いはありません。

[UPD3:]

私はグランドプレーンとニッケル銀EMIシールドを備えた新しいボードを作りました。 1.8VのLD1117レギュレータと100pFと390pFのNP0デカップリングコンデンサを追加しましたが、それでも運は不運です。ノイズ性能に大きな変化はありません。残念ながら、私は回路全体を入れるための鉄の箱を見つけることができませんでした、しかし私は磁気シールドを必要としないいくつかの賢い回路とPCB設計技術があるとほぼ確実です。たとえば、私はSDRレシーバーを安価な非シールドFMトランスミッターでテストしました。音量が最大になってもハムはまったく発生しません。そのため、問題は間違いなく回路とPCBの設計です。

これがボードの写真です(フラックスがすみません、除去しようとしましたが失敗しました)。

Fig. 4a: enter image description here

Fig. 4b: enter image description here

Fig. 4c: enter image description here

また、以下の答えで示唆されるように、私は私のSDR受信機からIFを記録して、そして低周波数でそのスペクトルを生成しました。

Fig. 5a: Without the EMI shield enter image description here

Fig. 5b: With the EMI shield enter image description here

[UPD4:]

今それはおもしろいです。

C 4 を大きくすると(図3c参照)、ノイズが大幅に減少します。復調された信号スペクトルを見てください(440 Hz成分はSNR測定のためにセンサーから記録されたテスト信号です)。

図6a:C 4 = 1.5 pF

Fig. 6b: C4 = 2.7 pF enter image description here

残念ながら、私はそれ以上のテストをするために1〜10 pFの範囲の他のコンデンサを持っていません(発振器はC 4≧10 pFで始まらないでしょう)。 PCBの配線とL2によって拾われるACラインノイズがJ 1 のゲート容量を変化させ、C 4 の値を増加させると私は思いますこれらの変化が周波数に与える影響を少なくします。これは強いノイズ源を追加することによっても確認されます。電話をかける携帯電話。図6cでは大きなスパイクが見られ、ノイズ源を追加すると実際に周波数が増加します。つまり、J 1 のゲート容量は電圧に反比例するということです。私には理にかなっています。 J 1 とLCタンクの間のカップリングを減らすか、それらの間にハイパスフィルタリングを追加する必要があるように思えますが、それをする最善の方法がわからない。

Fig. 6c: enter image description here

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もし回路が電池式であれば、本管のハムは注入された磁界または電界から来ることができるだけです。あるいは、回路は50/60Hzの主電源のように見える周波数で発振しています。
追加された 著者 NuSkooler,
C4を上げると搬送波が大幅に下がるため、搬送波の復調結果が正しくトラッキングされているかどうかわかりません。トラッキングに問題がなければC4はシールドする必要がありますが、Johanson管状同軸可変キャップは$$です
追加された 著者 user17574,
「アンテナに50Hz成分が現れる」????このベースバンド、AM、FM、PMのどれですか。
追加された 著者 user17574,
50Hzによる搬送波の偏差は? 「50 HzでのSNRは4.3 dBです。Franklin発振器の最大周波数偏移は290 kHzです」と言っています。搬送波にAMはなく、FMだけ
追加された 著者 user17574,
Plsには問題の詳細が含まれています:テスト設定と測定結果。 (RF:サイドバンドのデルタF、dB、AM?、FM?)(復調:SNR 50Hz)次に、ラップトップのアースを接地した状態でテストします。
追加された 著者 user17574,
「AC電源の代わりにバッテリーを使用しても問題が解決しない場合があります」
追加された 著者 GTF,
@hidefromkgb私があなたに私に誰に恩恵を与えるべきかを決めさせます。
追加された 著者 GTF,
@hidefromkgb不足しているフラックスコンデンサが見つかったようです。
追加された 著者 GTF,
私はアンテナ理論家ではないので、今は深海に出ていますが、デバッグ方法を知っています。 - 主電源ケーブルでカプセル化されているとき(主に屋内で使用中)、主電源を読むのは、それほど奇妙なことではありません。とは言っても、あなたはまだベンチ供給がオフであるときでさえも(本物のデータを送らないで)本線信号を読みますか? - この質問には不向きなので、これはおそらく私の最後のコメントになるでしょう。適切なアンテナのユーザが来たときに私ができる限り多くの情報を手に入れるだけで、彼らは言うでしょう。
追加された 著者 GTF,
この質問は、「主電源からハミングの原因を突き止める」ということになりますが、「回路図」ではあまりわかりません。また、電池を使用してソースを除外しています。残っている唯一のことはあなたの設定の実際のイメージ、または適切な回路図です、しかし私は回路図だけが全体の物語を与えることを疑います。 - 魚っぽい香りがするのは魚#1:「オシレータは静電容量センサー によって調整されています」と私はよくわかりません。あなたがやる。その情報を私たちと共有してください。 - 魚#2:あなたはあなたの…「フィルター」の中の様々なノードを主電源周波数のために測定してみましたか?
追加された 著者 GTF,
入力信号をハムノイズしてみたか
追加された 著者 ThreePhaseEel,
そして、C4を増やすことは最終的には逆効果です。タンクのL/C比が高いとき、あなたのセンサー(Cvar)はより多くのdelta-Freqを与えます。あなたはこの発振器とアンテナの間にバッファが必要かどうか疑問に思います。これを試してください:アンテナを完全に外します。あなたはSDRにもう少しきつく結合する必要があるかもしれません。それはスプリアス変調を減らすのに役立ちますか?
追加された 著者 glen_geek,
面白くなってきています。あなたのSDRに興味があります。特に2つのモジュールが密接に結合されている場合は、そのVCOが発振器と相互作用している可能性があります。オリエンテーションについてのあなたのメモはこれを示唆しています。もう1つ:電源GRNのアース接続...これをBLK(電源マイナス)に接続し、50 Hzの信号に注意してください。
追加された 著者 glen_geek,
C7(100nF)は400MHzではあまりやっていません。あなたはあなたの2V VccラインにRFがかからないようにしたいのです。この周波数では、RF用の効率的なバイパスコンデンサは300pf - 1000pfのボールパークにあり、リードは短くなっています。あなたはVccからグランドへのかなり長いストレッチを持っています、そしてそれは短いリードバイパスを難しくします。
追加された 著者 glen_geek,
PCBレイアウトは問題ないようです。他の場所を見てください。この発振器をどのようにSDRに接続しますか?
追加された 著者 glen_geek,
@ hidefromkgb、ごめんなさい。主なアイデアは、音響効果のあるキャップを使わないことでした。他のタイプのセラミックキャップを使用した場合、それはサウンドシグネチャに影響を及ぼしましたか?
追加された 著者 DukeZhou,
私は電源回路の「ブザー」という経験がありましたが、その原因は使用されているセラミックコンデンサにあることがわかりました。
追加された 著者 DukeZhou,
ノイズの多いセラミックキャップのいくつかの解決策: edn .com/design /部品・包装/ 4364020 /…
追加された 著者 DukeZhou,
既存のセラミックキャップを他のセラミックキャップと交換することを試みることができます、そして、ノイズサインが変わるならば、これは原因を確かめることができました。この問題を解決するには、「高品質」のセラミックキャップを使用するか、ポリエステル/電解/マイカコンデンサを使用します。
追加された 著者 DukeZhou,
このタイプの回路で、私があなたが経験しているのが主電源からの誘導ピックアップであるならば、私はあなたが単層レイアウトで逃げることができるかどうかわかりません。回路レイアウトにループがあり、それが主電源関連の誘導電流を引き起こす可能性があります。ボードを回転させると振幅が変わるかどうかを確認してみてください。グランドと電源プレーンは、デカップリングキャップに役立ちます。そうでない場合は、シールドが必要になります。
追加された 著者 savagent,
申し訳ありませんが、毎日オンラインではありません。私はあなたが見ているのはレイアウト内の小さな回路ループからの誘導ピックアップだと思います。これは技術的にはEMIと見なされる可能性がありますが、ファラデーシールドなどでは不十分です。 50 Hzは低すぎて、この種のシールドのいずれにも浸透します。あなたは磁気シールドを作らなければなりません。理想的には、アセンブリ全体を囲むMu-metalボックスなどです。
追加された 著者 savagent,
@hidefromkgb私はいつもシートを曲げてエンクロージャを作ってきました - 変圧器の場合を除いて標準的な箱を見たことがあるかどうかわかりません。すべての作業に進む前に、軟鋼を見つけて試してください。あなたはあなたの部分のまわりに2つの浅い鋼鉄クッキー鍋を締め付けることができました。あなたのハムが弱められれば、あなたは正しい方向に進んでいます。軟鋼はそれほど効果的ではありませんが、違いを生むはずです。
追加された 著者 savagent,
@HarrySvenssonありがとうございます!問題は完全に解決されました、賞金はglen_geekに行かなければなりません。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ glen_geekはい!アンテナを外した後、主電源ノイズが減少しました!完全に消えているわけではありませんが、もうそれを聞くことはできませんが、スペクトルでしか見ることができません。 C4 = 1pFで試験した。
追加された 著者 hidefromkgb,
@Gomunkulそれを言うのは非常に難しいです、私は恐れています:ノイズシグネチャはPCBの配置によって大きな影響を受けていて、実行毎に異なります。 @ JohnBirckheadのコメントを参照してください。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ JohnBirckheadあなたはそのような箱をどこで買うべきかについて私にアドバイスしてもらえますか? Ebayと私たちの地元のeショップの両方を検索しましたが、さまざまなパーマロイ箔しか見つかりませんでした。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ glen_geek私の発振器から5メートルの距離で信号を受信しようとしましたが、近接して受信するのと違いはありません。 GRNをBLKに接続してみたが無駄だった。アパートのすべてのソケットは接地されています。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ AltAir答えを更新しました。
追加された 著者 hidefromkgb,
@Gomunkul残念ながら、新しいコンデンサは役に立ちませんでした。
追加された 著者 hidefromkgb,
@JohnBirckheadボードを回転させると、実際にノイズの振幅が影響を受けます。ノイズが非常に少ない点がありました。もう一方の面をグランドにして両面PCBを試し、報告します。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ TonyStewart.EEsince'75私のオシロスコープの帯域幅は50MHz、信号周波数は400MHzなので、わかりません。波形が見えません。オシロスコープで出力をプローブすると、ベースバンド50 Hz(+高調波)の200 mVpp成分が見えます。復調すると、FMまたはAMの復調タイプに関係なく、ハム音がします。これはSDR受信機からの信号スペクトルです、多分それはあなたに何かを教えてくれるでしょう: i.stack.imgur .com/NA0ss.jpg
追加された 著者 hidefromkgb,
@Gomunkul高品質のVishay VJシリーズの高信頼性RF C0GコンデンサとMurata GQMシリーズの高Qコンデンサを使用しているので、これが役立つとは思いませんが、受け取ったらすぐに新しいコンデンサを試します。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ TonyStewart.EEsince'75投稿を更新しました。変調とテストのセットアップはすでに含まれています(FM;発振器+ SDR受信機)
追加された 著者 hidefromkgb,
@HarrySvensson [F#1]静電容量センサを固定コンデンサに交換した(Cvar→C4、質問の更新を参照)ので、問題は解決しないので、明らかに問題ではありません。 [F#2]私のオシロスコープ(RIGOL DS 1052E)ですべてのノードを調べました。目に見えるノイズは見つかりませんでした。
追加された 著者 hidefromkgb,
@HarrySvenssonはおそらくそれが良いはずですが、残念ながらそうではありません。私は自分の機知に終わりました。
追加された 著者 hidefromkgb,
@ThreePhaseEel私は入力として静電容量式センサーを使用していましたが、固定コンデンサで置き換えても役に立ちませんでした。現時点では入力信号はありません。
追加された 著者 hidefromkgb,

4 答え

あなたの回路図は実際の物理モデルでは不正確なので、あなたの回路図では期待通りには動作しません。

例えば、あなたのデカップリング0.1uFキャップは2cmと1mmの厚さ(est)と1cmのトラック長の2本のリード線で約20nHです。その間あなたの共振器は33nHを使います、それであなたの供給は貧弱なインピーダンスを持っています、そして他の人が示唆するように小さなSMDキャップでおそらく100pFが必要です。グランドプレーンがないと全体的なレイアウトが大きすぎるため、浮遊電界を放射および受信するための大きなループアンテナ領域があります。

I agree most of your hum is due to the large layout >5% of a wavelength for supply, ground and circuit loop path. This makes is prone to radiated noise and conducted ground noise. Using an RF CM balun or RF CM choke is essential for your DC supply to decouple it from AC grounds in addition to an RF cap preferably a 100pF NPO cap for lowest ESR.

Without a super narrow IF band Spectrum Analyzer (<100Hz) to examine AM vs FM , it is impossible to tell how much noise is in your SDR and how much is in the Tx. But either way the hum is mostly in your LCO design and DC power/return paths. If you had a lab RF gen. , then you can validate your SDR and a good RF SA to validate your noise source.

When we made VCO's in the mid 90's for 928 MHz ISM band for we made custom ceramic hybrids with custom metal lids seam soldered over the hybrid soldered to a GETEK FR4 substrate with another ground plane > 60 dB CNR ( carrier to noise ratio and low phase noise for a 6kHz Tx bandwidth used for automated 2 way meter reading.

  • 誘電率、基板損失正接、シールド容量がすべて設計に影響していたので、2段RC LPFの603サイズ47pF NPOを使用して電源ノイズを低減し、10Ωにした後、設計を使用したこれとは異なり、電流源による供給感度が低い。現在、村田製作所はこのより広いスペクトルをカバーするために100pF以上の低ESLの上限を設定しています。

学ぶべき教訓

  • トラックワイヤと受動部品のインダクタンス、ESL、およびESRを計算および測定する方法
  • SAを使用してRFを検証し、ノイズの根本原因を特定する方法
  • 導波路理論、制御インピーダンス、クロストーク、およびアンテナ感度を使用して、干渉を最小限に抑えるためのグランドプレーン、ストリップライン、マイクロストリップ、およびカバーシールドの選択肢がいかに重要なレイアウトであるかを知る方法より高いQ共振器と低いQ電源デカップリングによるCM除去。
  • これはほんの始まりに過ぎず、優れたRF設計エンジニアを他のものよりも価値のあるものにするのは専門知識です。 (私は自分自身とは考えていませんが、知っていることから学びました。)

最後の言葉

トラック、ワイヤ、およびストリップライン間の結合容量のインピーダンスに計算機を使用してRFのオームの法則を習得した場合は、差動インピーダンスを制御しながらCMインピーダンスを上げ、シャント負荷で減衰するバランの使い方を理解できます。これは1GHz PHYネットワークとオシレータの設計に適用されるため、これらの機能を確認するために同様の設計を観察し、結果として生じるSNRを制御するためにインピーダンス比と共振器のQを適用できます。それはすべて無効インピーダンスを持つオームの法則の2次元バージョンのような複素インピーダンス比にあります、そしてそれはアンテナ開口効果でより単純に見え始めます。 (指向性ループアンテナ)

4
追加された
私はあなたが信号/波長開口比のアンテナ開口効果を理解していないと信じることはできません。それが変調にあるときなぜあなたはSDRのベースバンド50Hzを探していますか。 AC結合DCまたはキャリアの50Hz IF帯域幅を調べることができます
追加された 著者 user17574,
あなたのファラデーシールドはどのくらいタイトですか?抵抗とスロット?
追加された 著者 user17574,
わかりました。上の写真はホワイトノイズのみを示し、一方は他方よりも数dB低くなっています。それで50Hzのハムは今グラウンドプレーン「ドーナツ」と共に消えましたか?今何を修正する必要がありますか?
追加された 著者 user17574,
それは私のシムで動作します tinyurl.com/y7jbvh3f を出力にCMチョーク(イーサネットPhy)でデカップリングすることを検討してくださいハムを隔離します。
追加された 著者 user17574,
誤解があるはずです。私は実際には480 MHz、次に514 MHzの搬送波で455 kHz IFを調べました。 EMIシールドを追加した後に周波数が変わりました。私は3回目の質問の更新で結果を投稿しました。DCから220 HzまでのIFスペクトルがあります。写真を参照してください(#1: i.stack.imgur.com/188et.png 、#2: i.stack.imgur.com/zlxKv.png )。ファラデーシールドを書いてください、それはあなたが私が同じく質問に加えた絵で見ることができる2つのスロットしか持っていません。抵抗値が私のマルチメータの範囲を下回っています(正確には0.1Ω)。
追加された 著者 hidefromkgb,
チョークを注文したので、それらを使って回路をテストします。ノイズをWRT、それは振幅よりもむしろ周波数ノイズです。質問の更新を見てください。
追加された 著者 hidefromkgb,
投稿を更新してスペクトルを追加しましたが、正しく作成したかどうかはわかりません。残念ながら、私はあなたが答えを投稿する前に新しい掲示板を作りました。いくつかのCMチョークを見つけてそれらが助けになるかどうかを確かめます。
追加された 著者 hidefromkgb,

Gomunkul (in comments) & @user287001 may have nailed most of the hum problem:

コンデンサは50Hzのオープン回路なので、空気からハムを捕らえるのはおそらくあなたのプローブかアンテナです。

C6は、電圧によって容量が変わる質の悪いコンデンサです。

  • ここでは良いC0Gコンデンサ(100 pfは多すぎるかもしれません)またはマイクロ波用のものを使用してください。

  • 近くの50 Hz電化製品から発生するC6の両端の電界を軽減するため、アンテナをアースに接続します。

  • 発振器とアンテナの間に、すこし低いS12のバッファ段を追加してください。


もう1つ考えられるハムメカニズムは あります。 このアンテナ付き発振器は、粗直接変換受信機と見なすことができます。その発振は、受信機の局部発振器として機能します。このような低電圧DCバイアス電圧では、このオシレータのアクティブデバイスの接合部は、電圧の変化に伴って大きな容量変動を生じる可能性があります。ジャンクションが送信信号(強い)と受信信号(弱い)の両方を見る場合、そのバイアス電圧は2つの信号間の位相関係に応じて変化します。

Far away, some diode junction(s) may receive some transmitted signal from your oscillator. Where these junctions are also turned on & off while rectifying 50 Hz mains, they re-transmit a 50 Hz. modulated signal back to the oscillator via wires or traces. At UHF, even a short wire becomes a coupled antenna element in this 2-element system. The 50 Hz modulated diode may inject a phase change back at the oscillator. It is characteristically full of harmonics, since those 50 Hz modulated diodes switch from on-to-off fairly rapidly. Your spectrum's 50 Hz harmonics seem quite strong.
DC power supply rectifying diodes are often the source.
LED lighting circuits could be another source.
Your cell-phone shifting frequency also supports this theory.

次の(不完全な)回路でこの現象をテストするかもしれません。

schematic

simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab


The half-wave dipole is cut for the oscillator-under-test's UHF frequency. Its diode connects between each 1/4 wave element. A 1kHz function generator could be used to turn the diode on-and-off rather than a 555 1 kHz oscillator. When this "mosquito" circuit is coupled to the transmitter's antenna, a monitoring receiver (AM PM or FM) may detect the 1kHz signal. Moving this "mosquito" circuit away from the oscillator-under-test should reduce the monitoring receiver's audible output.

ちなみに、この同じ結合メカニズムは時々ドップラーレーダーと動き検出盗難警報に存在します。この場合、反射信号距離がUHF信号発振器から変化するにつれて位相が変化します。
あなたはグーグル "チューン可能ハム"やチューナブルハムによってより多くの洞察を得ることができます。

4
追加された
ウーホー!出力バッファを追加し、C6を2.2pFに減少させると、雑音が完全に除去された。どうもありがとうございます!
追加された 著者 hidefromkgb,

より小さなコイルが助けになるなら、あなたの回路はおそらく磁場を捉えます。それらは変圧器または蛍光灯の近くでかなり強くなることがあります。

あなたのセンサーは500MHzであなたの回路基板以外の場所に置くことはできません。私はそれが加速度、湿度、ガスまたは圧力を感知していると思います。あなたはおそらく、あなたの回路を厚い柔らかい鉄の箱の中に入れることができるでしょう。 ACフィールドを2VDCの動作電圧から守るためには、ローカル電圧レギュレータが必要です。

スコープを本管ACに同期させて見ると、スコープ画面ではハム安定です。そうでなければ、あなたの回路は約50Hzでそれ自身を振動させます。

また、テスト、あなたの回路は機械的にマイクロフォンです。私は(望ましくないことに)非常に弱い振動を拾う送信機を作りました。

「50HzのACはアンテナ出力にのみ存在する」と書いたのですが、コンデンサは50Hzのオープン回路なので、おそらくプローブまたはアンテナが空中からハムを捕らえるのです。

主電源のハム+高調波も、フィルタリングソフトウェアによって復調信号から除去することができます。フィルタリングは、たとえば脳や心臓のテストやオーディオ信号のクリーニングに不可欠です。

他の送信機であなたの受信機をテストしてください。受信機自体は無害ですか。

2
追加された

私はオシロスコープが高価であることを理解しています(あなたが米国に住んでいない限り。私はeBayで500MHzかそこらに行く安いオシロスコープをたくさん見ました)。あなたはそれらの周波数用の信号発生器とミリボルトメーターを手に入れるべきです(あなたが持っているものによって、ミリボルトメーター用のSDRで大丈夫かもしれません)。あなたが添付した写真から、私は発振器がまったく機能していないと思います。それは正弦波がどのように見えるかではありません(400MHzまたは50Hzであれば、正弦波は正弦波です)。あなたがそこに持って来たどんな形がとても醜いとしてもあなたはそれに名前を付けることすらできません。 2つのステップでそれを分析するようにしてください:最初のステップは、あなたがその範囲の信号を増幅できることを確認してください。第二のステップ:あなたの調整されたフィードバックがその範囲で何をするのかチェックしてください。はい、そのためには信号発生器が必要です。 SDRをミリボルトメータ/スコープとして使用することもできますが、信号発生器は必要ありません。あなたがハムを持っていたならば、それは1)バッテリー電源に入ったか2)あなたがバッテリーを取り外した後でさえ存在するべきです。

0
追加された
オシレーターが機能していないと言ったとき、そして「あなたがそこに持って来たどんな形がとても醜いとしてもそれに名前を付けることさえできない」、あなたはどういう意味ですか?どの数字を参照していますか?画像は時間領域ではなく、周波数領域のプロットです。
追加された 著者 user957902,