Устранение сетевого шума от частотно-модулированных РЧ LC генераторов

Я пытаюсь построить LC-генератор с частотной модуляцией, но во всех схемах, которые я пробовал, после демодуляции наблюдается ужасный сетевой шум.

Генератор настроен емкостным датчиком, но я использую фиксированный конденсатор, пока не решу эту проблему. Я пробовал разные топологии: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley на разных частотах от 60 до 500 МГц, но нет никакой разницы между ними с точки зрения сетевого шума. Я использую SDR-приемник для демодуляции, он работает нормально и не может быть источником шума. Использование батареи вместо источника переменного тока не помогло. Я использую конденсаторы 10 мкФ и 10 нФ для развязки. Использование физически меньших индукторов немного помогло, но шум все же недопустим.

Как указано в комментариях, я протестировал все узлы схемы с питанием схемы и без нее, а компонент 50 Гц появляется только на выходе антенны.

Вот некоторые рисунки печатной платы, может быть, есть ошибки в маршрутизации?

Рис. 1: топология Вацкара, транзистор BF545C

Рис. 2: топология Франклина, оба транзистора - ATF-38143

[UPD:]

Загрузка моей установки и схемы в соответствии с просьбой. Установка представляет собой просто приемник SDR и генератор с куском провода на выходе в качестве временной антенны. Емкостный датчик C _var отсутствует, так как вместо него я использую фиксированный конденсатор C ₄ .

Рис. 3а:

Рис. 3б:

Рис. 3c:

[UPD2:]

SNR при 50 Гц составляет 4,3 дБ. Максимальное отклонение частоты для генератора Франклина составляет 290 кГц, выходная мощность - 7,8 дБм, уровень принимаемого сигнала - –26 дБFS. Заземление ноутбука не имеет значения.

[UPD3:]

Я сделал новую плату с заземлением и никель-серебряным EMI-экраном. Я добавил 1,8 В регулятор LD1117 и конденсаторы с развязкой 100 пФ и 390 пФ NP0 - и все же не повезло. Существенных изменений в шумовых характеристиках нет. К сожалению, я не смог найти железную коробку, в которую можно было бы вставить всю схему, но я почти уверен, что есть некоторые умные схемы и методы проектирования печатных плат, которые не требуют магнитного экранирования. Например, я протестировал SDR-приемник на дешевом неэкранированном FM-передатчике: вообще нет шума, даже при максимальной громкости, поэтому виновником, безусловно, является схема и дизайн печатной платы.

Вот несколько фотографий платы (извините за флюс, я попытался удалить ее, но не получилось)

Рис. 4а:

Рис. 4б:

Рис. 4с:

Кроме того, как предлагается в ответе ниже, я записал IF из моего SDR-приемника и сгенерировал его спектр на низких частотах.

Рис. 5а. Без экрана от электромагнитных помех

Рис. 5b: с экраном от электромагнитных помех

[UPD4:]

Теперь это интересно.

Увеличение C ₄ (см. Рис. 3c) значительно снижает шум. Посмотрите на спектры демодулированного сигнала (компонент 440 Гц - это тестовый сигнал, записанный датчиком для измерения SNR):

Рис. 6a: C ₄ = 1,5 пФ

Рис. 6b: C ₄ = 2,7 пФ

К сожалению, у меня нет других конденсаторов в диапазоне от 1 до 10 пФ для проведения дальнейших испытаний (генератор не запустится с C ₄ ≥ 10 пФ). Я предполагаю, что шум линии переменного тока, выбранный следами PCB и L _2, изменяет емкость затвора J ₁ , а увеличение значения C ₄ уменьшает влияние этих изменений на частоту. Это также подтверждается добавлением сильного источника шума, например, звонка с мобильного телефона. Вы можете видеть большие пики на Рис. 6c, и частота действительно увеличивается, когда я добавляю источник шума, а это означает, что емкость затвора J ₁ обратно пропорциональна напряжению. Имеет смысл для меня. Похоже, мне нужно либо уменьшить связь между J ₁ и танк LC или добавьте фильтрацию высоких частот между ними, но я не уверен, что лучший способ сделать это.

Рис. 6c:

Gomunkul (в комментариях) & @ user287001, возможно, прибил большую часть проблемы гула:

Вероятно, это ваш зонд или антенна, которая улавливает гул из воздуха, потому что конденсатор разомкнут для 50 Гц.

C6 может быть конденсатором низкого качества, который изменяет емкость в зависимости от напряжения:

• Используйте хороший конденсатор C0G (100 пф, вероятно, слишком много) или конденсатор, рассчитанный на микроволновую печь.

• Подсоедините антенну с помощью резистора-заземлителя, чтобы уменьшить электрическое поле на С6, вызванное ближайшими устройствами 50 Гц, лампами.

• Добавьте буферную ступень с хорошим низким S12 между генератором и антенной.

Есть еще один возможный механизм гудения, несколько менее вероятный ...
Этот генератор с антенной можно считать грубым приемником прямого преобразования: его колебания служат в качестве локального генератора приемника. При таких низковольтных напряжениях смещения постоянного тока, соединения активного устройства этого генератора могут иметь значительные изменения емкости с изменениями напряжения. Там, где на соединении видны как передаваемый сигнал (сильный), так и принятый сигнал (слабый), его напряжение смещения может варьироваться в зависимости от фазового соотношения между двумя сигналами.

Далеко, некоторые диодные переходы могут принимать передаваемый сигнал от вашего генератора. Где эти узлы также и выключаются при выпрямлении сети 50 Гц, они передают 50 Гц. модулированный сигнал обратно на генератор через провода или следы. В UHF даже короткий провод становится антенным элементом в этой 2-элементной системе. Модулированный диод 50 Гц может вводить изменение фазы обратно в генератор. Характерно, что он полон гармоник, поскольку модулированные диоды с частотой 50 Гц довольно быстро переключаются из одного положения в другое. Гармоники 50 Гц вашего спектра кажутся довольно сильными.
Выпрямительные диоды постоянного тока часто являются источником.
Схемы светодиодного освещения могут быть еще одним источником.
Частота переключения вашего мобильного телефона также поддерживает эту теорию.

Вы можете проверить это явление с помощью следующей (неполной) схемы:

^{смоделировать эту схему - Схема создана с использованием CircuitLab}

Полуволновый диполь вырезан для частоты UHF тестируемого генератора. Его диод соединяется между каждым 1/4 волновым элементом. Функциональный генератор 1 кГц мог бы использоваться для включения и выключения диода, а не генератор 555 1 кГц. Когда эта «москитная» цепь подключена к антенне передатчика, приемник мониторинга (AM PM или FM) может обнаружить сигнал 1 кГц. Перемещение этой «москитной» цепи в сторону от тестируемого генератора должно уменьшить слышимый выходной сигнал контрольного приемника.

Кроме того: этот же механизм сцепления иногда присутствует в доплеровском радаре и при краже при обнаружении движения. В этом случае фаза изменяется по мере изменения расстояния отражающего сигнала от генератора УВЧ-сигнала.
Вы можете получить больше понимания, прибегая к помощи «настраиваемого гула» или настраиваемого гула.

Ваша схема является неточной в реальной физической модели, поэтому она не будет работать так, как ожидалось в вашей схеме.

Например, ваша развязывающая крышка 0,1 мкФ составляет около 20 нГн в 2 выводах толщиной 2 см и 1 мм (est) и длиной дорожки 1 см. Между тем ваш резонатор использует 33 нГн, поэтому ваш источник питания имеет плохой импеданс, и, как другие предполагают, возможно, требуется 100 пФ в небольшой крышке SMD. Общая схема слишком велика без заземления и, следовательно, имеет большую площадь рамочной антенны для излучения и приема рассеянных электрических полей.

Я согласен, что большая часть вашего гула происходит из-за большой разметки> 5% длины волны для питания, заземления и контура цепи. Это делает склонным к излучаемому шуму и кондуктивному шуму от земли. Использование балуна RF CM или дросселя RF CM очень важно для вашего источника постоянного тока, чтобы отделить его от заземления переменного тока в дополнение к крышке RF, предпочтительно крышке NPO 100 пФ для наименьшего ESR.

Без сверхширокополосного анализатора спектра в диапазоне ПЧ (<100 Гц) для проверки AM против FM невозможно определить, сколько шума в вашем SDR и сколько в Tx. Но в любом случае гул в основном заключается в вашей конструкции LCO и в источниках постоянного / обратного тока. Если у вас была лаборатория РФ ген. затем вы можете проверить ваш SDR и хороший RF SA для проверки вашего источника шума.

Когда мы сделали VCO в середине 90-х годов для диапазона ISM 928 МГц, мы изготовили нестандартные керамические гибриды с нестандартным металлическим швом, припаянным поверх гибрида, припаянным к подложке GETEK FR4 с другой земной плоскостью> 60 дБ CNR (отношение несущей к шуму и низкая фаза шум для полосы пропускания Tx 6 кГц, используемый для автоматического считывания показаний счетчика.

• Диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь в подложке и емкость экрана - все это сыграло свою роль в проекте, и я вспоминаю, что в то время 603 NPO размером 47 пФ с двухступенчатым RC LPF использовались для снижения шума при подаче до 10 Ом, а затем использовали конструкцию с низким потреблением. чувствительность с источниками тока в отличие от этого. Теперь Мурата делает низкие ограничения ESL 100 пФ или более, чтобы покрыть этот спектр, который шире, чем длинный.

уроки, чтобы учиться

• Как рассчитать и измерить индуктивность, ESL и ESR дорожек проводов и пассивных компонентов.
• Как проверить RF с SA, чтобы изолировать коренные причины шума.
• Как узнать, насколько критична компоновка с опциями для заземления, полосы, микрополоски и защитных экранов, чтобы минимизировать помехи, используя теорию волноводов, контролируемые импедансы, перекрестные помехи и чувствительность антенны - Как измерить методы измерения обратных потерь и как улучшить спектральную чистоту с более высокими Q-резонаторами и развязка с низким Q с отказом CM.
• Это только начало, и опыт - это то, что делает хороших инженеров по радиочастотному проектированию ценнее других. (Я не считаю себя таковым, но я узнал из лучшего, что нужно знать.)

Заключительные слова

Если вы овладеете Законом Ома для ВЧ, используя калькуляторы для импеданса дорожек, проводов и емкости соединения между полосовой линией, вы сможете лучше понять, как использовать Balun для повышения импеданса CM, а затем ослаблять нагрузками шунта при управлении дифференциальным импедансом. Это относится к физическим сетям 1 ГГц, а также к конструкциям вашего генератора, так что вы можете наблюдать аналогичные схемы, чтобы увидеть эти функции и применять коэффициенты полного сопротивления и добротность резонатора для управления результирующим SNR. Это все в сложных коэффициентах импеданса, как в 2-мерной версии закона Ома с реактивным импедансом, тогда это начинает выглядеть проще с эффектами апертуры антенны. (Направленная рамочная антенна)

Если меньшие катушки помогают, ваша схема, вероятно, ловит магнитные поля. Они могут быть достаточно сильными вблизи трансформаторов или люминесцентных ламп.

Ваш датчик не может быть нигде, кроме как на плате с частотой 500 МГц. Я предполагаю, что это чувствует ускорение, влажность, некоторый газ или давление. Вы, вероятно, можете поместить свою цепь в толстую коробку из мягкого железа, которая закорачивает внешние магнитные элементы даже при наличии некоторых отверстий для необходимого соединения с внешним воздухом. Вам нужен местный регулятор напряжения, чтобы поля переменного тока не выходили за пределы рабочего напряжения 2 В пост.

Синхронизируйте ваш прицел с сетевым переменным током и посмотрите, стабильно ли гул на экране прицела. Если это не так, ваша схема колеблется около 50 Гц.

Проверьте также, является ли ваша схема механически микрофонной. Я сделал передатчик, который (нежелательно) собирал довольно слабые вибрации.

Вы написали: «50 Гц, переменный ток присутствует только на выходе антенны». Вероятно, ваш зонд или антенна улавливают гул из воздуха, потому что конденсатор разомкнут для 50 Гц.

Сетевой гул + гармоники также можно отфильтровать из демодулированного сигнала с помощью программного обеспечения для фильтрации. Фильтрация необходима, например, при тестировании мозга или сердца, а также при очистке аудиосигналов.

Проверьте свой приемник с другим передатчиком. Приемник сам по себе не шумит.

Я понимаю, что осциллограф стоит дорого (если только вы не живете в США. Я видел много дешевых прицелов на 500 МГц или около того на ebay). Вы должны получить генератор сигналов и милливольтметр для этих частот (вы можете быть в порядке с SDR для милливольтметра, в зависимости от того, что у вас есть). На фотографиях, которые вы прикрепили, я подозреваю, что генератор не работает вообще. Это не то, как выглядит синусоида (будь то 400 МГц или 50 Гц, синусоида - это синусоида). Какая бы форма у вас ни была, она настолько безобразна, что вы даже не можете ее назвать. Попробуйте проанализировать его в два этапа: первый шаг, убедитесь, что вы можете усилить сигнал в этом диапазоне. Второй шаг: проверьте, что ваш настроенный отзыв делает в этом диапазоне. Да, для этого вам нужен генератор сигналов. Вы можете использовать SDR как милливольтметр / прицел, но вам нужен генератор сигналов. Если бы вы имели гул,