Předkládám konstrukci jednoduchého šumového generátoru z běžně dostupných součástek, který lze snadno postavit na jednoduché doma vyrobitelné DPS prakticky za odpoledne (započtu-li do toho času i výrobu desky). Zapojení je veskrze jednoduché a prakticky samovysvětlující:
Jako zdroj šumu je použit přechod B-E tranzistoru Q2 následovaný zesilovačem Q3. Signál následně vstupuje do tranzistoru Q1, který pracuje jako emitorový sledovač. Výstup je veden na SMA konektor přes paralelní dvojici kondenzátorů C3 a C8. Na místě Q2 byly zkoušeny různé tranzistory, jako nejlepší se jevil tranzistor 2N3904, který je ve finální verzi použit v SMT provedení. Nabízela se možnost použít PZT3904, ale jeho pouzdro je zbytečně velké (tranzistor není výkonově namáhán). Napájecí obvody prakticky nejsou řešeny, neboť na měřicím pracovišti bývá obvykle dostupný laboratorní zdroj. Zapojení pracuje dobře v rozsahu napájecích napětí 12..15V.
Vlastní deska je navržena kompletně bez vrtání a tak, aby ji bylo možno vyrobit v domácích podmínkách fotocestou. Všechny rezistory i kondenzátory jsou SMD ve velikosti 0805. Na místě R4 a R5 je použita paralelní kombinace dvou 100Ω rezistorů, protože rezistory s hodnotami nižšími 100Ω typicky nejsou dostupné v běžně prodávaných sadách SMT součástek. Paralelní kombinace C8 s C3 byla zvolena z toho důvodu, že některé levnější 100n keramické kondenzátory vykazují na vyšších kmitočtech poněkud větší útlum. To je pochopitelně problém i v případě blokovacích kondenzátorů a obdobná situace nastává i na pozici C2 a C4, nicméně experimentálně bylo zjištěno, že na kmitočtech do 30MHz se tento jev zásadněji projevuje pouze na kondenzátorech proudově zatíženějších, proto bylo řešení s paralelním 27pF kondenzátorem použito pouze na pozici C3, C8. Na jiných místech nebyl pozorován zásadnější přínos.
Desku doporučuji vyrobit fotocestou, je to nejrychlejší a s nejlepšími výsledky, microprint doporučuji nanést „od oka“ jehlou na flux. Komponenty jsou dostatečně velké pro pohodlné usazení pinzetou. Přetavení microprintu lze pohodlně provést horkovzduchem nebo i menším předehřevem pokud na něm lze dosáhnout odpovídající teploty. SMA konektor doporučuji zapájet mikropájkou až po očištění desky ultrazvukem. Na materiál desky nejsou na těchto kmitočtech kladeny zvláštní nároky, stačí obyčejná FR4. Nedoporučuji používat desky na fenolpapíru, při přetavování sice stačí menší výkon, ale současně deska produkuje otřesný (a patrně i toxický) zápach, navíc se ji občas podaří lehce zapálit, což následně způsobuje svody, neboť lehce ohořelý fenolpapír vykazuje na vyšších kmitočtech nezanedbatelnou vodivost.
Na tomto místě bych ráda zmínila takový detail, který mne při návrhu desky nemálo potrápil. Jedná se o rezistory R1 a R2. V původním návrhu desky jsem je měla těsně vedle sebe a ony se chovaly jako transformátor, což způsobovalo rozkmitání Q3. Trvalo mi opravdu hodně dlouho, než jsem pochopila co se v zařízení děje, po přesunutí R1 kolmo k R2 problém zmizel. Až pitva 470kΩ SMT 0805 rezistoru odhalila co se vlastně dělo. Ona je to poměrně vysoká hodnota, výrobce potřeboval velkou délku odporové dráhy a tak ji nanesl klikatě, čímž vyrobil cívku. Sice s nízkou jakostí, ale cívku. A to bohužel díky opravdu těsné blízkosti R1 a R2 stačilo na problémy. Je to problém mých rezistorů veskrze nejasného původu (sada koupená na aukru někdy v roce 2008), v žádném ohledu si nedovolím tvrdit, že toto dělají všechny SMT rezistory. Příhodu uvádím spíše pro pobavení obecenstva než za nějakým vzdělávacím účelem.
Spektrum výstupního signálu není nikterak ideální, ale to nelze ani u takto jednoduchého zapojení očekávat. Pro základní měření takový přípravek jistě vyhoví.
Poznámka: Můj spektrální analyzátor pracuje až od kmitočtu 10 MHz, takže je na jeho vstupu použit směšovač s LO na kmitočtu 120MHz. Útlum cesty je kompenzován.
Příklady měření
Měření s šumovým můstkem dokáže být trochu komplikované. Pokud jde pouze o nalezení maxim a minim v oblasti kmitočtu, situace se velice zjednodušuje, v tomto případě není třeba přemýšlet nad útlumem jednotlivých použitých přípravku a tento nemusí být v žádném ohledu kompenzován, protože jde pouze o nalezení určité tendence, kde změna úrovně na výstupu šumového generátoru podle kmitočtu bude výrazně menší, než změna vyvolaná měřeným filtrem. Příkladem takového měření budiž nalezení paralelní a seriové rezonance běžného 4MHz krystalu.
Opět podotýkám, že na vstupu spektrálního analyzátoru je směšovač s LO na 120MHz. Samotný krystal má v serii dva 220Ω rezistory kvůli volnější vazbě. Jedná se o přípravek, který používám na měření přenosových charakteristik mezifrekvenčních filtrů, kde se seriové rezistory vřazují kvůli impedančnímu přizpůsobení.
Dalším příkladem je měření přenosové charakteristiky 10.7MHz rozhlasového mezifrekvenčního filtru
Upozorňuji, že šum je dynamická v čase se měnící záležitost, takže je potřeba nějaká míra průměrování zobrazovaných dat. Averaging mám obvykle nastavený na 30 až 50 hodnot, záleží na šířce měřeného pásma a požadovaném RBW. Při 3kHz RBW a 3MHz rozmítání může průměrování z 50 hodnot znamenat poměrně dlouhé měření.
Kurzory jsou nastaveny na pokles -3dB, kde změřená šířka filtru vychází na 196 kHz, což je celkem obvyklé pro VKV FM rozhlas. Současně vidíte, že střed filtru je na 10.8 MHz přestože deklarovaných je 10.7 MHz. Na tomto místě si dovolím poznámku. Pokud seřizujete stupnici přijímače pomocí čítače pověšeného na první LO, je nezbytně nutné znát středy všech mezifrekvenčních filtrů a z nich dovodit skutečný střed. Pokud by se totiž v tomto případě seřídila stupnice podle kmitočtu LO, současně by se vycházelo z mezifrekvenčního kmitočtu 10.7 MHz a detektor se potom ladil na střed filtru, což je řekněme obvyklý postup, bude stupnice ukazovat o 100kHz vedle. Pokud se nejdříve seřídí stupnice a poté se injektuje modulovaný signál známého kmitočtu a podle něj se následně nastavuje demodulátor, bude to celé vypadat jako závada demodulace, protože samotný mezifrekvenční filtr ořeže užitečnou část signálu.
Slaďování přijímačů je jedno z možných využití šumových generátorů. Šum se injektuje do antény přijímače a postupně se seřizuje celá signálová cesta tak, aby si kmitočtově odpovídaly skutečné středy postupně se zužujících filtrů, čímž se přijímač skutečně sladí. To se o mnoha postupech založených na hledání maximálních úrovní za detektorem při injektování AM signálů na různých kmitočtech do různých částí přijímací cesty při nejlepší vůli říct nedá, protože nic nezaručí, že si budou odpovídat středy filtrů jednotlivých stupňů přijímače. V podstatě se hledá místo, kde se protlačí signál s nejvyšší úrovní, což nemusí být (a typicky nebývá) středem filtru. Takový postup má příliš mnoho stupňů volnosti a obvykle nevede k optimálním výsledkům.
Šumový generátor má široké použití i v mnoha jiných oblastech, uvedla jsem na tomto místě jen některé příklady. Pochopitelně by bylo možno použít lepší zdroje šumu a komplikovanější zapojení, se kterým by bylo možno dosáhnout lepších výsledků, avšak chtěla jsem předložit předevšm jednoduchou konstrukci z běžně dostupných součástek. Vzhledem k tomu, že díky věcem jako tinySA si nějaký "spektrální analyzátor" může dovolit prakticky každý, předpokládám v brzké budoucnosti rozšíření těchto přístrojů a s tím sovisející poptávku po stavbě různých "doplňků".
Vývoj
Postupně byly zkoušeny různé součástky. První pokus byl výhradně s tranzistory 2N3904 v konfiguraci jeden tranzistor coby zesilovač a z druhého tranzistoru se používal pouze přechod báze — emitor coby zdroj šumu. Zapojení se ukázalo jako velice dobré, avšak pouze do vysokoimpedanční zátěže.
V další iteraci byly nahrazeny tranzistory 2N3904 typem BCP54 a současně byl výstup doplněn o emitorový sledovač, takže bylo možno výstup víceméně libovolně zatěžovat aniž by to mělo nějaký zásadnější vliv na výstupní úrovně. Bohužel se ukázal jiný problém, tranzistor BCP54 sice šumí velice pěkně, ale velice rychle padá zisk navázaného zesilovače s rostoucím kmitočtem, navíc úrovně padají s rostoucím kmitočtem i na samotném zdroji šumu v podobě B-E přechodu tranzistoru BCP54.
V další iteraci tedy bylo rozhodnuto, že je nezbytné, aby jak zesilovač, tak i emitorový sledovač, běžel na tranzistorech pracujících do výrazně většího kmitočtu než na jaké je šumový generátor určen, aby pokles způsobený „neschopností“ zesilovače byl minimální. Volba padla na oblíbený vysokofrekvenční tranzistor BFR93A. Měla jsem sice obavy o jeho život v emitorovém sledovači, kde pracuje na hranicích svých výkonových možností, vlastně i lehce za nimi, nicméně v praxi se ukázalo, že mu to nečiní žádné obtíže. Vznikla tedy víceméně finální konstrukce:
Na místě zdroje šumu byly zkoušeny různé součástky, jak tranzistory, tak zenerovy diody, ideální by byla šumová dioda, avšak to je v ČR jen obtížně sehnatelný artikl a já chtěla generátor vyrobit z běžně dostupných součástek. Použití zenerovy diody nepřineslo proti tranzistoru 2N3904 nic zásadně pozitivního, avšak její použití značně komplikovalo konstrukci samu, především vyžadovalo nastavení pracovního bodu, jehož dlouhodobá stabilita se ukázala býti poněkud problematickou. Proto jsem se vrátila k původnímu tranzistoru 2N3904, přesněji řečeno k jeho SMT verzi MMBT3904. Na této desce mne také nemálo potrápil výše zmíněný problém s vazbou mezi SMT rezistory.
Závěr
Přes klopotný vývoj je celá konstrukce nakonec nezáludná a zařízení by mělo pracovat na první zapojení. Použití SMT součástek výrazně zvyšuje opakovatelnost konstrukcí v oblasti HF a VHF techniky. Použití přechodu B-E běžného tranzistoru coby zdroje šumu je pro jednoduchá měření dostatečné. Dodávám, že desky plošných spojů nevyrábím ani nedistribuuji, pokud si chcete nechat desku vyrobit, je volba dodavatele na vás, osobně si myslím, že deska je dostatečně jednoduchá i pro domácí výrobu fotocestou, případně ručním vyřezáváním krycí pásky — tak byl ostatně vyroben první prototyp. Druhý prototyp byl vyráběn metodou toner transfer, k čemuž bych dodala jediné — nikdy víc! Poslední prototyp je vyráběný fotocestou. Podklady najdete v github repozitáři projektu https://github.com/nikita-bretschneider/rf_noise_source
Komentáře
Okomentovat