Oszillatoren und Phasenrauschen

  • 1 GHz Vervielfacher

    In diesem Basteltagebuch möchte ich von unserem Vervielfacher Projekt berichten. Martein Backer PA3AKE hat für sein AD9912-Projekt einen phasenrauscharmen Vervielfacher entworfen, der aus 100MHz ein 1GHz Signal für seine DDS-Versuche erzeugt. Unser Projekt ist ein Nachbau und wir bauen auf seinen Erfahrungen auf
    Volker hat die Platinen entworfen und uns so einfachen Aufbau ermöglicht.
    Die Homepage von Volker findet ihr hier: [http://www.banfield.de/Elektronik/CMC3/frame.html](http://www.banfield.de/Elektronik/CMC3/frame.html" ")
    Und hier der Link zu seinem Vervielfacher: [http://www.banfield.de/Elektronik/webfiles/GHz-Multiplier.pdf](http://www.banfield.de/Elektronik/webfiles/GHz-Multiplier.pdf " ")

  • Calibration of Oscillator Phase Noise Measurement Instruments

    English: In this document, I will describe how to calibrate my homebrew oscillator phase noise measuring system. The basic idea of the method of calibration is really quite simple. With a combiner the oscillator signal is combined with the noise of a calibrated noise source. The noise floor of the oscillator is then superimposed by the noise of the noise source, and it then forms a horizontal line on the display. The Level of this line can be calculated and compared with the measurement results.

    Deutsch: In diesem Dolument beschreibe ich, wie man einen selbstgebauten Phasenrauschmessplatz kalibrieren kann. Hierbei ist die Grundidee sehr einfach. Mit einem Combiner wird das Oszillatorsignal mit einer kalibrierten Rauschquelle überlagert. Der Noise Floor des Oszillator wird dann von dem Rauschen überlagert und formt eine waagerechte Linie im Display des Phasenrauschmessplatzes. Der Level der "Rauschlinie" kann sehr einfach berechnet und mit den Messergebnissen verglichen werden.
    Momentan ist das Dokument in englischer Sprache. Geplant ist auf längere Sicht ein zweisprachiges Dokument.

  • Colpitts Oszillator - Eine Reise in die Tiefen der phasenrauscharmen Oszillatoren mit Prof Rohde

    In diesem Werk möchte ich euch an meinem spannenden und großen Abenteuer über Oszillatoren teilhaben lassen, welches mich in die Tiefen der sehr phasenrauscharmen Oszillatoren im Jahr 2015 geführt hat. Der Schwerpunkt liegt auf dem Colpitts-Oszillator.
    Maßgeblich ist dieses Werk aus stundenlangen intensiven und sehr anregenden Gesprächen mit Prof. Ulrich Rohde im Frühjahr 2015 und den Simulationen, die er für mich erstellt hat, entstanden.

    Ich möchte euch bitten, dass ihr dieses Werk wie einen Roman lest, also von Anfang bis Ende und nicht nur einzelne Kapitel wie in einem Lehrbuch. Ich bezweifle, dass sonst dem roten Faden wirklich gefolgt werden kann ;-).
    Link zur Leeson Formel: http://www.bartelsos.de/dk7jb.php/die-leeson-formel

    Viel Spaß beim Lesen.

  • DDS als Referenzoszillator für meinen Phasenrauschmessplatz - Experimente mit einem DDS

    Einsatz eines DDS als Referenzoszillator für meinen Phasenrauschmessplatz.
    Dieses Basteltagebuch befasst sich mit Experimenten, die ich unternommen habe um zu testen, ob sich DDSe als
    Referenzoszillatoren für unseren Phasenrauschmessplatz eignen. Quarzoszillatoren sind zwar deutlich besser, dafür
    aber in ihrem Frequenzbereich sehr stark eingeschränkt. Vielleicht sind die DDS gut genug, damit man im
    Kurzwellenbereich die üblichen Transceiver bei beliebigen Frequenzen vermessen kann.
    Momentan ruht dieser Teil von meinem Phasenrauschmessplatz. Ich möchte dieses Dokument als Anregung für
    eigene Experimente sehen. Versuche mit einem AD9912 sind in Arbeit, genießen aber momentan etwas geringere Priorität.
    Viel Spaß beim Lesen.

  • Die Leeson-Formel

    Vor langer Zeit hat Rohde & Schwarz ein in Zusammenarbeit mit U. Rohde und G. Klage geschriebenes Programm im Jahr 2000 veröffentlicht, welches unter Berücksichtigung einiger Annahmen das bestmögliche Phasenrauschen nach der Leeson-Formel berechnet und graphisch darstellt. In diesem Programm ist schon der Einfluss der Ziehdiode und das Flickerrauschen berücksichtigt, d.h. die ursprüngliche Formel von Leeson ist erweitert worden. Dieses Programm habe ich neu geschrieben, da es auf heutigen Rechnern nicht mehr lauffähig ist.

    Leeson hat 1966 den ersten Ansatz beschrieben um das Phasenrauschen in Oszillatoren verstehen und berechnen zu können. Das Lesson Modell geht von einem zeitinvarianten System aus (linear time invariant system LTIV). Nach meinem Kenntnisstand ist dieses Modell das erste Modell, mit dem man das Phasenrauschen von Oszillatoren wirklich vorhersagen und man einen Einblick über gewisse Einflussfaktoren bekommen konnte. Der Nachteil ist aber, dass man die Ausgangsleistung des Oszillators, das Großsignalrauschen des Oszillator-Transistors und die Arbeitsgüte des Resonanzelementes (loaded Q) nicht kennt. Über die Jahre ist die Formel noch um weitere Rauschquellen erweitert worden. Wer mit dieser Formel arbeitet sollte sich auch mit den Grenzen deren Aussagekraft beschäftigen.

    Hier findet ihr meine Programm:
    (Das Programm Leeson Formula hat die Version 01.20 (06.2015))

  • Kurzwellen-Oszillatoren - phasenrauscharm

    Dieses Basteltagebuch beschreibt, meine Experimente mit Quarz-Oszillatoren im Kurzwellenbereich. Herausgekommen ist ein Oszillator, der einfach aufzubauen ist, jeden Grundwellenquarz verkraftet, abstimmbar ist und gleichzeitig ein gutes Phasenrauschen aufweist. Die Pegel sind gut und eine Rückwirkung ist fast nicht zu beobachten. Fehlabschlüsse werden auch verkraftet. Später hat sich auch gezeigt, dass er auch sehr gut als Sinus-/ Recheckwandler für Präzisionsfrequenzmessungen eingesetzt werden kann. Das ganze Projekt hat mit einem Emailaustausch mit Reinhold (Kubik) im Frühjahr 2014 begonnen.
    Die Baunmappe zum Sinus-/ Recheckwandler findet ihr hier:
    Die Baumappe zur Frequenzmessung findet ihr hier: http://www.bartelsos.de/dk7jb.php/frequenzmessung-vnwa

  • Messung kleiner HF-Ströme mit einem Stromsensor -- Messung der Quarzbelastung von Oszillatoren

    In diesem kleinen PDF möchte ich meine Messungen kleiner HF-Ströme mit einem Stromsensor dokumentieren.
    Mich interessiert das Messen der Quarzbelastung von Oszillatoren. Hier treten die kleinen HF-Ströme auf, die so gemessen werden müssen, dass der Quarz-Oszillator möglichst nicht beeinflusst wird.

  • OCXO Reparatur für einen Racal Dana 1998

    Ende Februar 2012 hat mein Frequenzzähler Racal Dana 1998 plötzlich keine genauen Werte mehr gezeigt und die Werte haben um mehr als 5 Hz geschwankt. Üblich sind eigentlich Schwankungen, die mehrere Zehnerpotenzen kleiner sind.
    Die zugehörige Baumappe findet ihr im Anhang als Download.
    Anmerkung: Rückblickend, mehrere Jahre später, stelle ich fest, dass sich langfristig eine Reparatur nicht lohnt. Es ist besser sich einen billigen gebrauchten OCXO zu kaufen und ihn einzubauen. Interessant ist eine solche Reparatur aber trotzdem...

  • Phasenrauschmessplatz im Selbstbau

    Das Messen des Phasenrauschens eines Oszillators ist ein spannendes Gebiet. 1880 haben die Brüdern Jacques und Pierre Curie entdeckt, dass bei mechanischer Verformung von Kristallen auf der Kristalloberfläche elektrische Ladungen beobachtet werden können – auch Piezoelektrischer Effekt genannt. Die ersten Oszillatoren mit Schwingquarzen wurden zwar schon um 1918 gebaut - bis zu den heutigen Quarzen war es aber noch ein weiter Weg.
    Ein Oszillator schwingt niemals absolut rein, sondern zeigt immer statistisch verteilte Abweichungen z.B. von Amplitude und Phase – hier vereinfacht als Rauschen bezeichnet. Auch als Amateur kann man heute Quarzoszillatoren aufbauen, deren Rauschfuß um fast 170 dBc schwächer ist.
    In diesem Basteltagebuch wird ein Messgerät zur Phasenrauschmessung beschrieben, dessen Dynamikbereich sich in der Region von fast 170 dBc bewegt – und das mit Amateurmitteln.
    Was kann man sich unter -170 dBc vorstellen? Das ist so, als wollten wir in der direkten Nähe von einem 100W Sender nach Restschwingungen im Femto-Watt-Bereich (1 fW) suchen. Das ist ein Leistungsabfall von 10-17 ! Astronomische Entfernungen machen es noch deutlicher: Das ist so, als wollte man feststellen, ob sich der Abstand zwischen der Sonne und der Erde um 0,02 mm geändert hat.
    Solch riesige Dimensionen faszinieren mich und lassen mich jedes gerade aktuell laufende Projekt unterbrechen .
    Wie fing es mit dem Projekt an?
    In der Zeitschrift FUNKAMATEUR erschien 2009 eine Artikelserie zum FA-IQ-DDS Generator. Andreas, Eric und ich waren von dem 100 MHz Mutteroszillator sofort sehr angetan und haben ihn erfolgreich nachgebaut. Leider konnten wir damals das Phasenrauschen des Oszillators nicht messen und die hierfür notwendigen Messgeräte kosteten ca. 100000€. Wir waren schon froh, dass wir das Spektrum, den Pegel und die Frequenz messen konnten.
    2011 bin ich auf die Diplomarbeit von Stefanie Hofmann DG2MEU gestoßen (www.stefanie-engelhard.de). Sie hat ein Messsystem zur Ermittlung des trägernahen Phasenrauschens von spannungsgesteuerten Quarzoszillatoren entwickelt. Eric und ich hatten uns schon die für einen Nachbau notwendigen Bauteile besorgt, als Eric während der UKW-Tagung 2011 den Kontakt mit Bernd Kaa DG4RBF hergestellt hat. Bernd war gerade dabei sich einen Phasenrausch-Messplatz für 100 MHz Oszillatoren zu entwickeln. Nach einem intensiven Informationsaustausch mit Bernd haben Eric und ich den Nachbau von Steffis Schaltung auf Eis gelegt und Eric ist Beta-Builder von dem Entwurf von Bernd geworden. In der Zeit habe ich mein TRX2012-Projekt begonnen um einen Transceiver von Grund auf zu entwickeln. Die Zeit haben wir auch genutzt um unseren Selbstbau-Messgerätepark um IP3-Werte und das Rauschmaß von HF-Schaltungen zu erweitern. Für uns ist das Messen von physikalischen Größen absolut faszinierend.
    Wie schon geschrieben ist beim Phasenrauschen von Oszillatoren der unglaublich große Dynamikumfang von etwa 170 dB eine große Herausforderung. Mit der Schaltung von Bernd können wir schon 10 Hz entfernt von einem 100 MHz Signal dessen Phasenrauschen messen. Normalerweise braucht man hierfür Messgeräte, die so viel wie ein ganzes Haus kosten.
    Da der riesige Dynamikumfang kein Kinderspiel ist, ist nicht weiter verwunderlich, dass Bernd erst zwei Jahre später seinen ersten Vortrag auf der 58. Weinheimer UKW-Tagung 2013 zu diesem Thema gehalten hat. Im Vorlauf zu dieser Tagung hat Eric auch sein Gerät fertig gestellt. Der Vortrag von Bernd ist auch im zugehörigen Tagungsband erschienen. Direkt im Anschluss an diese Tagung habe ich mein TRX2012-Projekt unterbrochen und mit dem Nachbau der Schaltung von Bernd begonnen. Mein Aufbau entspricht annähernd der Version aus dem Vortrag von der UKW-Tagung. Bernd hat 2015 hierzu einige Artikel geschrieben, die weiter unten aufgelistet sind.
    In diesem Basteltagebuch habe ich die Erfahrungen von Eric und mir zusammengefasst. Mit der Veröffentlichung auf meiner Homepage habe ich gewartet, bis die Artikelserie von Bernd in der Zeitschrift UKW-Berichte erschienen ist.
    Hier findet ihr unsere Erfahrungen aus der Beta-Phase. Für einen endgültigen Aufbau empfehle ich die aktuellen Artikel in der Zeitschrift UKW-Berichte. In dieser Baumappe findet ihr die Dokumentation von meinem Aufbau und meine Erfahrungen mit der Beta-Version, die sich an die Schaltung im Tagungsband der UKW-Tagung 2013 anlehnt.
    Alle weiteren Informationen findet ihr in der Baumappe. Viel Spaß beim Lesen.
    Links: (folgen noch)

  • Referenzkurven für Phasenrauschmessplatz erzeugen

    Mit diesem kleinen Excel-Blatt lassen sich Referenzkurven für unseren Phasenrauschmessplatz erzeugen.
    Querverweis: Calibration of Oscillator Phase Noise Measurement Instruments

  • Trennverstärker 1-100 MHz

    In dieser Baumappe geht es um Trennverstärker, die die Isolation erhöhen sollen, ohne das Rauschen maßgeblich zu beeinflussen.
    (Version 1 vom 16.12.2014)

  • Untersuchungen zum OCXO Morion MV89A

    Hier findet ihr Informationen zu unseren Untersuchungen und Reparaturen von OCXOs MORION MV89A.
    (Version 03 vom 23. November 2014)