Do poprawnego zaprojektowania filtrów kwarcowych konieczne jest określenie parametrów rezonatorów.
Proces pomiaru opisano na przykładzie rezonatorów 8214 i 8215kHz (RS-3017X) produkcji Omig (wykonane na zamówienie).
1) Dobieranie kwarców do filtru na podstawie częstotliwości rezonansu szeregowego (fs)
- kwarce do filtru CW powinny być dobrane w zakresie +/- 10Hz
- do filtru SSB w zakresie +/- 50Hz
Ogólnie dopuszcza się różnicę fs +/-2% projektowanej szerokości filtru.
Do pomiaru fs można wykorzystać wobuloskop (mierzymy częstotliwość rezonansu szeregowego – częstotliwość przy której występuje maksimum sygnału) lub prosty generator i miernik częstotliwości z dokładnością przynajmniej do 10Hz.
Przy pomiarach wobuloskopem dodatkowo można określić wszystkie parametry kwarcu metodą 3dB.
Należy uważać aby nie pomieszać kwarców po pomiarach. W tym celu przydało się pudełko w którym dostarczono kwarce.
2) Pomiar pojemności równoległej kwarcu (Cp)
Znajomość Cp nie jest wymagana do zaprojektowania filtru, ale pomaga dokładniej wyznaczyć wartości elementów filtru. Nie wszystkie programy liczące filtry pozwalają na wprowadzenie tej wartości.
Pomiar wykonujemy przy użyciu miernika pojemności z zakresem 10pF.
Np. miernik LC wg.VK3BHR
Jeśli nie posiadamy miernika pojemności można przyjąć wartość 4pF.
Należy zmierzyć kilka wybranych rezonatorów z serii i uśrednić wynik.
Pojemność równoległa badanych rezonatorów wyniosła Cp=5.8pF.
3) Pomiar parametrów kwarcu metodą 3dB
Do pomiarów wymagany jest wobuloskop. Wykorzystano NWT7 v2.1, można użyć dowolnego amatorskiego lub profesjonalnego wobuloskopu. W ostateczności może być stabilny generator w.cz. z dokładnym strojeniem (do kilku Hz), miernik częstotliwości i dokładny woltomierz w.cz.
Przy użyciu wobuloskopu bardzo łatwo wyznaczyć częstotliwość rezonansu szeregowego (maksimum sygnału) i równoległego (minimum sygnału)
Do pomiaru parametrów rezonatora impedancja wejścia/wyjścia może wynosić standardowe 50 Ohm, ale dokładniejsze wyniki otrzymamy przy użyciu niższej impedancji. Większość rezonatorów, o częstotliwościach używanych w częstotliwościach pośrednich, ma zbyt niską rezystancję szeregową aby osiągnąć dokładne wyniki przy 50 Ohm.
Dla impedancji pomiarowej 12,5 Ohm można zastosować dwa transformatory (10 zwojów bifilarnie na rdzeniu FT37-43).
Dopasowanie do niższej impedancji można wykonać również za pomocą tłumików.
Wartości tłumika wyznaczono dla impedancji 50/10 Ohm używając kalkulatora online. Przy użyciu rezystorów z szeregu E12 impedancja wejściowa wynosi 52 Ohm a wyjściowa10,7 Ohm. Oporności R1 i R6 mają tak duże wartości, że można je pominąć. Wadą rozwiązania jest spore tłumienie – w sumie około 25dB.
Używając obu typów dopasowania nie można zapomnieć o kalibracji wobuloskopu (badany kwarc zastępujemy zworą).
Do pomiaru badanych kwarców użyto dopasowania tłumikami.
Tłumienie, pasmo 3dB i częstotliwość fs (fm) wyznaczone przez program obsługujący wobuloskop.
Uwaga: przy płaskim wierzchołku charakterystyki program jako fmax przyjmuje najniższą częstotliwość przy której występuje maksymalny poziom sygnału. Dlatego jako fs rezonatora należy przyjąć fm (częstotliwość środkową pasma przenoszenia) lub wyznaczyć samodzielnie używając kursora na wykresie.
Parametry rezonatora obliczone modułem 3dB programu Dishal:
Pomiary warto wykonać dla wszystkich rezonatorów. Czasem zdarzają się pojedyncze egzemplarze o dużo mniejszej dobroci (większe tłumienie przy fs). Do filtry wybieramy rezonatory o największym Q i o fs w różniącym się maksymalnie +/-2% projektowanej szerokości filtru.
Wyniki dla trzech wybranych rezonatorów z serii (widać duże różnice w dobroci rezonatorów z jednej serii produkcyjnej):
X1: Lm=13,31mH Rm=4,7 Q=146279
X2: Lm=13,96mH Rm=7,1 Q=100798
X3: Lm=14,0mH Rm=6,0 Q=119682
Przyjęto średnie wartości:
Lm=13,8mH
Rm=6,0 Ohm
Q=120000
4) Pomiar parametrów kwarcu metodą G3UUR
Metoda polega na pomiarze częstotliwości generatora z kwarcem podłączonym do układu bezpośrednio i poprzez szeregowy kondensator. Pozwala wyznaczyć indukcyjność Lm i pojemność Cm rezonansu szeregowego rezonatora.
Znajomość Lm (lub Cm) i fs wystarcza do zaprojektowania filtru w programach “LCFD” i “Dishal”.
Wadą metody jest brak możliwości określenia rezystancji szeregowe Rs i wynikającej z niej dobroci rezonatora Q.
Przykładowy układ generatora pomiarowego znajdziemy w programie LCFD
Układ można zmontować na płytce uniwersalnej.
Wartości pojemności w układzie nie są krytyczne, do programu należy wprowadzić (w niebieskich polach) wartości użytych kondensatorów. Należy również podać pojemność równoległą kwarcu (Cs) lub pozostawić wartość domyślną. Po wprowadzeniu wartości częstotliwości F1 i F2 program LCFD obliczy parametry kwarcu.
Program ‘Dishal’ również posiada moduł G3UUR.
Wyniki:
8214kHz
LCFD – Lm=13,570mH
Dishal – Lm=14,116mH
8215kHz
LCFD – Lm=13,560mH
Dishal – Lm=14,114mH
Można przyjąć Lm= 13,8mH
Duży wpływ na poprawność pomiaru ma wpływ znajomość dokładnej wartości kondensatora włączanego szeregowo z rezonatorem.
Tagi: filtry drabinkowe, filtry kwarcowe, parametry rezonatora, pomiary
