Pripomočki za meritev parametrov kvarčnih kristalov

[PrimozL]

Čez praznike sem si izdelal dva pripomočka, ki mi bosta pomagala izmeriti parametre kvarčnih kristalov. Meritve so povezane s tem podprojektom. Literature na to temo je veliko. Mislim, da je bistvo meritev parametrov kristalov lepo povzel uporabniški priročnik (v priponki) za prosto dostopen program za načrtovanje lestvičastih kristalnih filtrov Dishal.

Prvi pripomoček je oscilator, ki nam pomaga s pomočjo zunanjega merilnika frekvence izmeriti zaporedni resonančni frekvenci pri znanem zaporednem kondenzatorju ter pri njegovi prespojitvi. Zgledoval sem se po dveh električnih načrtih iz priponk. Pred vgradnjo je potrebno izmeriti točno kapacitivnost kondenzatorjev, da lahko te vrednosti uporabimo pri izračunu. Tako imenovana G3UUR metoda meritve parametrov kristalov je opisana v članku avtorja W7ZOI, kjer je opisan tudi model nadomestnega električnega vezja kristala.

Drugo vezje sestavljata dva transformatorja impedance 4:1 s 50 ohm na 12.5 ohm in nazaj na 50 ohm. Nižji, kot sta vhodna in izhodna impedanca pri merjencu (kristal), bolj natančno lahko ovrednotimo njegovo zaporedno nadomestno upornost. Le-ta je v področju nekaj ohm do nekaj 10 ohm. Za kristalne filtre so primerni kristali z upornostjo do nekje 10 ohm. Pri višji upornosti se vstavitveno slabljenje močno poveča. Pred in za transformatorjem sta še slabilnika 3 dB, ki nekoliko izboljšata prilagoditev in obenem ne vneseta preveč slabljenja, ki bi pokvarilo meritev. Transformatorja impedance sta izdelana kot avto-transformatorja. Navita sta bifilarno na malem feritnem obročku premera 6 mm. Brez težav bi uporabil tudi feritno jedro z dvema luknjama, kot je npr. B62152A0007X030 ali tudi manjšim. Pomembno je, da je feritni material namenjen za frekvence, pri katerih nameravamo meriti. Če namesto kristala vstavimo prespojitev, znašajo izgube pri 9 MHz 6.2 dB, torej samo malenkost več od 2x 3 dB.

Obe vezji imata seveda na celotni spodnji strani maso.

Nabor kristalov, ki sem jih najprej podrobno preveril, so overtonski za frekvenco 26.975 MHz. Le-ti imajo na osnovni frekvenci zaporedno resonanco zelo blizu 9 MHz. Na žalost je raztros njihovih parametrov prevelik za izdelavo kvalitetnega SSB filtra. Kot kažejo simulacije na osnovi izmerjenih parametrov, bi s prilagajanjem zaporednih kondenzatorjev pri posameznih kristalih sicer lahko celo izdelal filter s petimi kristali, a bom raje počakal, da prispejo kvalitetni kristali za 9 MHz.

[S53DZ]

Primož, zelo uporabni podatki.

Jaz za testno vezje uporabljam kar uporovna delilnika.

73 Bojan

[PrimozL]

Bojan,

Tudi tvoje vezje je povsem v redu. Mogoče je še boljše, ker ni parazitskih pojavov, ki izhajajo iz impedančnega transformatorja. Čeprav je takih pojavov pri avto-transformatorski izvedbi po mojih izkušnjah precej manj kot pri klasičnem transformatorju z dvema ločenima navitjema. Edino izgube so večje (29.5 dB). To pa pri današnji občutljivosti VNA ali SNA ne smelo biti težava. Če pa je, dodaš vmes en MMIC ojačevalnik z 20+ dB ojačenja.

Obstaja pa še vmesna rešitev (glej članek "Measuring crystal motional parameters with the MiniVNA") z nekoliko nižjimi izgubami (23 dB):

[OmarMekkawy]

Thank you, Primoz, for the valuable information.
Could you please tell me how you made this matrix shaped PCB, Is it made using CNC or a hand made one?
Thank you.

[PrimozL]

That is an old COTS single-sided prototyping board. I only glued (using epoxy resin glue) copper foil to the bottom side to create solid RF ground.