di Giovanni “John” Paternostro i0XJ
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Variable Xtal (crystal) Oscillator = oscillatore variabile a cristallo
Presento il seguito dell’articolo [1] sul generatore Pierce, e cioè il VXO “kiss”; certo di questi tempi con i DDS, PLL e Arduino potrebbe essere un po’ superato, ma i fini di imparare qualcosa “dal vivo” è sicuramente valido. La forma d’onda del VXO è comunque migliore, per molti usi non sono necessari ulteriori filtri. Non solo, in certe applicazioni quali un BFO variabile o un Oscillatore Locale per RTX QRP, il DDS + Arduino sarebbero un po’ un “overkill”, mentre potrebbe essere utile un dispositivo semplice e di piccole dimensioni
Ad es. su CQ-U.S. ho trovato una foto (v. Fig. 1) di DDS e Arduino applicato al RTX QRP 49er. Già il circuito ha circa le stesse dimensioni del RTX, si aggiungono poi il display e i comandi. Da un punto di vista didattico si può solo imparare a programmare l’Arduino, (a volte con “sketch” già fatti da altri) e qualcosa sull’interfacciamento.
In alcuni transceiver VHF ad es. della ICOM, veniva usato il VXO + moltiplicatori, e credo che anche oggi sia un metodo valido per avere un RX VHF di classe con oscillatore a basso rumore.
Ma quello che mi ha convinto a scrivere questo testo è stato il fatto che un’università U.S.A. conceda la lode (honors) agli studenti che in laboratorio facciano misure sui cristalli di quarzo usando un VXO progettato da un radioamatore – V. bibliografia [4], [11].
Note sui risuonatori piezoelettrici
Ho usato questo termine più generale , perchè oltre ai noti cristalli di quarzo se ne usano altri, ad es. quelli di Langasite o LGS (con vantaggi per filtri a larga banda) ed i risuonatori ceramici. Proprio per effetto piezolettrico, un risuonatore “meccanico” come il cristallo di quarzo puo essere visto dall’esterno come un circuito LC serie, la cui frequenza di risonanza è data dai valori equivalenti di Lm e Cm (Vedi fig.2). ESR (o semplicemente Rs) rappresenta la perdita di energia e può essere assimilata ad una resistenza, C0 è invece un “vero” condensatore costituito dalla capacità degli elettrodi e del contenitore.
Se si lancia un segnale attraverso il quarzo, misurando l’uscita ad es. con un semplice rivelatore, si noterà che l’ampiezza di questa è massima alla frequenza Fs di risonanza serie data da Lm e Cm, mentre è minima ad una frequenza superiore, in cui interviene anche C0, detta frequenza di risonanza parallelo o Fp. Vedi anche i riferimenti [2], [3].
Da notare che il valore di Lm (dell’ordine di qualche milliHenry) è più di 1000 volte superiore a quello ottenibile con una normale bobina per le stesse frequenze, mentre Cm è dell’ordine dei femtoFarad (cioè millesimi di picoFarad). Per i cicuiti oscillanti si definisce un fattore di qualità o Q, proporzionale al rapporto tra L e R (Rs o ESR ha valori di alcuni Ohm), nei quarzi il Q è molto elevato e la frequenza dipende dal taglio e dalle dimensioni, la stabilità è quindi “scolpita nella roccia” (gli Americani chiamano “rocks” i quarzi). A causa di varie tolleranze (dei materiali e di lavorazione) ogni singolo cristallo ha una sua precisa “carta d’identità” e per i filtri è richiesta la misura dei suoi parametri principali.
A questo punto è interessante vedere quello che scriveva nel 1969 l’amico Gianfranco i0ZY: “per la costruzione dei filtri occorre una gran dose di pazienza, una solida conoscenza teorica, e dei magnifici strumenti per andare a vedere quello che si è fatto”. Vedi rif. [7]. A suo tempo, come descritto più in dettaglio nella parte finale dei miei ricordi (rif. [8]), fui un “follower” di Gianfranco ed il TX SSB lo feci con il metodo della compensazione di fase o sfasamento.
In tempi successivi, volendo fare anche un transceiver, mi cimentai con la costruzione dei filtri e questo dispositivo, insieme con un frequenzimetro digitale (allora homebrew con i nixie) mi fu di supporto per le misure, insieme con una certa dose di pazienza che non dovrebbe mancare ad un autocostruttore/sperimentatore. La conoscenza teorica (all’università si insegna poco o niente su questo argomento specifico) la approfondii ” in parallelo” consultando Single Sideband dell’ARRL, la rivista Ham Radio (su consiglio di i0DP), gli articoli di Francesco i0ZV su RR 1964 e parlandone con lo stesso Francesco. Riuscii anche ad avere le fotocopie di una parte del “mitico” libro dello Zverev, che si trovava all’università, ma nella biblioteca dei professori; gli stessi argomenti erano trattati sommariamente anche in un articolo di Ham Radio. Oggi con internet è tutto più facile, occorre però fare attenzione all’attendibilità delle fonti. Ed è doveroso anche un altro “warning” : non è detto che il risultato sia soddisfacente e garantito, citando ancora l’amico i0ZY: “chi è quel tecnico che può onestamente affermare di aver ottenuto subito una curva di risposta paragonabile alle specifiche di quel filtro tanto dolorosamente acquistato?” – C’è da dire che oggi, almeno dal punto di vista del “dolore” economico, il confine tra il “make” e il “buy” è più labile: si trovano dei filtri ceramici nuovi o d’occasione a quarzo a prezzi modici, anche il costo degli strumenti grazie alla tecnologia e alla costruzione in Cina è molto diminuito; per contro quello dell’istruzione a livello professionale è piuttosto elevato. Vale la pena inoltre di ricordare che il Radioamatore è un servizio di istruzione individuale (etc.) come definito dalla normativa.
Non tratto qui le misure sui quarzi, rinviando ad un prossimo articolo, ma inviterei a leggere intanto la bibliografia [4], [5] (è in pratica la traduzione del [4] con approfondimenti) e [6]. Gli ultimi due articoli si possono leggere on-line sul sito ARI, se non avete sotto mano le riviste.
Il circuito del VXO
Il circuito originale [9] è stato pubblicato sulla rivista 73 nel 1965, era previsto come eccitatore per un TX destinato all’OSCAR 3 in VHF, seguito da vari moltiplicatori. Da notare che W6HEK (poi K6DS) era anche uno dei fondatori del progetto OSCAR. Il mio TX usava quarzi a 8 MHz, x 18 per arrivare a 144 MHz ed anche la variazione di alcuni kHz del VXO veniva moltiplicata. E’ sempre un oscillatore Pierce, nella Fig. 3 rispetto al circuito [1] si può vedere che c’è una impedenza RFC (100 uH, non critica) sul collettore e una resistenza sull’emettitore, by-passata da un condensatore da 5 nF. Ho utilizzato un transistor di minor potenza (il BC 107B) ma con maggior guadagno garantito (hFE min. 200), rispetto al 2N2219 originale, e portato detta R da 220 a 680 Ohm. E’ prevista in serie al quarzo (e quindi al circuito oscillante) l’induttanza L1, indicata come variabile, in pratica ho messo un connettore (tra A e B) per inserire induttanze di vari valori o un corto fatto con un filo a “U”. Le capacità di reazione sono costituite da un variabile doppio, questo cambia la frequenza senza far variare troppo la tensione in uscita. Sempre a questo scopo ho previsto anche la resistenza K per smorzare un po’ la risonanza, sperimentalmente sono arrivato a 1 kOhm. Se il circuito non dovesse oscillare si può provare a ridurre detto valore resistivo. Per mantenere ugualmente l’ oscillazione, come detto sopra, è opportuno avere un transistor con guadagno più elevato . Non è previsto un condensatore variabile in serie al circuito oscillante, che farebbe variare troppo la tensione d’uscita, ma si possono sperimentare condensatori fissi. Il condensatore variabile che ho usato è da 200+200 pF, ma a metà corsa il valore è circa 60 pF ed è consigliabile orientarsi su questo valore (max 100), oppure usare varicap. Il condensatore fisso da 39 pF sulla base in parallelo al variabile C2 serve per innescare comunque le oscillazioni alla minima capacità del variabile ed anche per poter usare un variabile singolo (solo C1) per applicazioni specifiche, ma con escursione di frequenza ridotta. La bobina L1 fa diminuire leggermente la frequenza. Per non avere risonanze spurie è preferibile usare induttanze su ferrite, io ho usato quelle della Neosid, (parallelepido azzurro), e/o altre a forma di resistore . In altri circuiti nella letteratura [10], usando una bobina classica, questa viene smorzata con un resistore da 27 kOhm in parallelo.
Essendo l’oscillatore Pierce a risonanza parallelo, per la misura della risonanza serie sui quarzi dello stesso tipo occorre diminuire la frequenza. Da notare anche che, tranne casi particolari, la frequenza nominale indicata nei quarzi commerciali è quella parallelo.
Realizzazione
Il montaggio sperimentale è stato fatto su una basetta con bollini di rame (v. fig. 4) ma ho predisposto anche uno stampato, riportato nelle Figg. 5 e 6, che è una semplice modifica di quello usato per l’oscillatore kiss Pierce [1] . Le dimensioni della basetta sono 30 x52 mm. Questo troverà posto anche nella mia implementazione del 49er homebrew, essendo preferibile un oscillatore esterno anche per poter sperimentare vari tipi di mixer.
In una versione “scatolata” dell’oscillatore inteso come strumento di prova, le induttanze possono essere inserite da vari interruttori, per il quarzo si può mettere uno zoccolo a pannello.
Misure
Ho usato un frequenzimetro HP come nelle foto, con base tempi commutabile per poter vedere anche i decimi di Hz ai fini della verifica di stabilità, per gli usi normali va bene il “cinese” come da foto sull’articolo [1], che apprezza comunque gli Hz . La tensione di alimentazione è stabilizzata a 9 V (non critica).
La tabella 1 riassume i risultati delle misure. Ho arrotondato al kHz la lettura, e a 100 Hz dove l’intervallo di variazione è circa 1 kHz.
Note: alla capacità max. lo xtal smette di oscillare; il valore (*) in questo caso è circa 150 pF .
L’indicazione 50% C è intesa come “geometrica” (cioè apertura del rotore) ed è pari a circa 60 pF, incluse capacità “stray” .
Per alcuni quarzi Surplus del valore nominale di circa 10,100 MHz ho inserito in serie un condensatore da 10 pF per portare la frequenza in gamma, al posto della L1. Comunque si ottiene una variazione di 2-3 kHz.
Per i quarzi da 7 MHz ho fatto varie prove sullo stesso (id) quarzo, per verificare oltre l’escursione in varie condizioni, anche la frequenza ottenibile. In particolare da un nominale di 7,030 (freq. QRP internazionale) si può arrivare 7,023 MHz (freq. dei kit cinesi) -V. fig.7. Con lo stesso xtal ho provato anche con il condensatore da 10pF al posto della L1, arrivando a 7,033 MHz.
Per i quarzi 2B da 9 MHz nominali del fornitore [12] su 10 xtal la Fs (confermata anche con altri strumenti) è risultata 8,998 MHz +/- 50 Hz , quindi coperta dal VXO. La tensione RF in uscita, misurata con la sonda a diodo Ge e tester Ferm da 1 MOhm varia tra 0,52 e 0,49 Veff. Presso lo stesso fornitore sono disponibili anche xtal da 8,9985 e 9,0015 MHz per il BFO (LSB-USB) che hanno comportamento analogo nel VXO.
In generale si nota che diminuendo la frequenza occorre aumentare la L1 , da un “corto” (0) a 33 uH, ma per lo xtal da 3,576 MHz l’escursione praticamente non cambia portando L1 da 10uH a 66uH (2 x33 uH in serie).
La stabilità a breve termine è entro alcuni Hz, leggermente inferiore rispetto all’oscillatore fisso, ma migliore rispetto agli oscillatori LC.
Commenti conclusivi e possibili sviluppi
Con i tipi HC49, HC25 e HC6 , sopra i 6 MHz, si ottengono dai 3 ai 5 KHz di escursione, un po’ più critici i tipi FT243 ormai obsoleti. Sotto queste frequenze è più difficile ottenere escursioni superiori ad 1 KHz, sarebbe interessante prendere in considerazione i risuonatori ceramici che hanno una Lm (e quindi anche il Q) di almeno un ordine 10 inferiore rispetto ai quarzi, con escursioni di frequenza più ampia e variazioni di capacità ridotte. Come svantaggio risultano molto più dipendenti dalla temperatura e disponibili solo per alcune frequenze. Saranno oggetto nel caso di un altro articolo. Un altro sviluppo interessante sarebbe l’uso come elemento attivo del FET , che consentirebbe correnti minori nel risuonatore, magari ceramico, con vantaggi per la stabilità. Vedi un es. nel rif. [10].
Non sono stati provati i quarzi HC 49 S ribassati o US / ATS, che sono tipici delle produzioni cinesi. Stando a quanto descritto da W7ZOI nell’articolo [3] il Q dovrebbe essere superiore e quindi in teoria più difficili da spostare in frequenza.
Il dispositivo descritto è in grado di pilotare un successivo stadio (ad es. un altro transistor ad emettitore comune) con impedenza minima 1,5 -2 kOhm. Per le prove sui quarzi con un ” test jig” a bassa impedenza o per mixer a diodi occorre aggiungere un emitter follower. Vedi ad es. il tutorial rif. [13]. Nel circuito “AC coupled” (v. Fig. 8) io ho usato R1=15 kOhm, R2 = 22 kOhm, R3 =1,2 kOhm, C2=1 nF. C1 può essere portato a 120 pF, a frequenze più basse. Il TR1 è un comune transistor plastico simile a BC547, BC237 con guadagno hFE circa 100 – 150. Nel già citato rif. [11] è descritto il VXO di K8IQY con un Fet montato a source follower ed un ulteriore amplificatore a larga banda in uscita (ma così non sarebbe più un circuito “kiss…).
Concludo così la descrizione inzialmente prevista per il CCHF, ma che ho preferito dividere in due parti ed espandere per una migliore leggibilità. La stesura di quest’ultima parte è stata ritardata dai vari impegni di lavoro e personali e ultimamente dai controlli del contest Lazio. Varie idee sono venute “in corso d’opera” per altri circuiti associati, che potrò descrivere prossimamente .
73 de John i0XJ
Riferimenti
[1] i0XJ -Calibratore /Generatore HF semplice (kiss): http://www.ariroma.it/wp/?p=5329
[2] https://it.wikipedia.org/wiki/Oscillatore_al_cristallo
[3] http://w7zoi.net/xtalmod.pdf
[4] James O. Everly – University of Cincinnati : documento scaricabile da: https://peer.asee.org/an-honors-contract-introduces-simplified-methods-for-measuring-quartz-crystal-electrical-parameters
[5] Sergio Fleres IT9IFI – Sveliamo i segreti dei quarzi misurandone i parametri – RR 11-2019
[6] Giorgio Vanin IN3IYD – Filtri passa-banda, composti da circuiti ricorrenti, comprendenti risuonatori piezoelettrici/2A parte (pagg.63-64) – RR 3-2016
[7] IØZY G. Scasciafratti – eccitatore SSB – CD/CQelettronica 5-1969 scaricabile dal ns sito “Progetti dei soci” : http://www.ariroma.it/wp/?page_id=252
[8] i0XJ – Ricordi di sezione – 1969-70 – terza parte: http://www.ariroma.it/wp/?p=3807
[9] R.Tellefsen W7SMC/6, H.Gabrielson W6HEK -Coffee Can VXO for Oscar III – 73 Magazine 2-1965
[10] ARRL Handbook 2011 pag. 9.28, fig. 9.27 – lo stesso anche su ARRL Handbook 2017 pag.9.25, fig.9.27 – (autori originali W7ZOI e W1FB in Solid state design for the radio amateur)
[11] Jim Kortge K8QIQY- PVXO : http://www.k8iqy.com/testequipment/pvxo/pvxopage.htm
[12] https://www.rf-microwave.com/it/cristalli-risuonatori-oscillatori/490/
