3D-OCXO – решение проблемы силовой части

Полистал Хоровица-Хилла…. Некоторое время обдумал проблемы с самовозбудом силовой части, и даже прогнал ряд симуляций:

Которые кстати сказать – абсолютно не показали проблем с возможным самовозбудом crazy

Так вот, проведя мозговой штурм, решение было найдено. Частично пришел на помощь аппнот Техаса SBOA326. В котором предлагается внедрить в схему обратной связи дополнительный резистор, у техаса он обозначается как “R3”.

Так вот, проанализировав всё это оказалось, что конденсатор компенсации в цепи обратной связи C58 не заработал как должно, по тому, что он попросту не способен оказать на инвертирующий вход ОУ сколь либо должного влияния для стабилизации цепи, так как ток протекающий через него от выхода ОУ практически не способен “победить” мощный Дарлингтон, такой как BDX53B. Ввод в схему дополнительного резистора, немного развязывает компенсационную емкость C58 от силового каскада, и она уже может эффективно погасить самовозбуд.

Итоговая схема прецизионного силового каскада получилась такая:

Проверка в прототипе так-же показала, что она отлично работает при любых условиях тестирования. Какой либо возбуд такой схемы не фиксируется.

Естественно данное решение уже намного более правильное, нежели чем то, что  было найдено ранее методом “научного втыка”, и его вполне можно применять! mail

Но скиллс… Хм… интересный!  diablo

3D-OCXO – отрицательный рост

На прошедших выходных, как это принято сегодня говорить, у проекта 3D-OCXO случился отрицательный рост crazy Другими словами, все попытки его запуска завершились полным провалом и полной забраковой всего дизайна.

Первая проблема возникла в ожидаемом месте, но с неочевидными путями её решения. laugh

  • Ранее не проверенный мною в железе концепт прецизионного мощного питальника называемый мною “а-ля 49-ка”, название которого очевидно исходит из того места где я впервые увидел подобное решение, это из вольтметра В7-49.

Так вот, оно не стартануло… данный узел неплохо так загенерил на частоте в пару сотен килогерц. Классические методы увеличения емкостной связи между инвертирующим входом и выходом ОУ (емкость С58) Не дали достаточно хорошего результата, и при практически любой емкости в разумных приделах, цепь продолжала проявлять признаки самовозбуда. Методом “научного втыка”, решение нашлось, хоть и совсем для меня не очевидное, это зашунтировать базу пары Дарлингтона на землю через емкость 4…10 мкФ. Это решение очевидно сделает жизнь ОУ не лёгкой, поскольку они не любят работать на емкостную нагрузку, но тем не менее, при шунтировании электролитическим конденсатором малой емкости, с относительно высоким ESR это сработало. Самовозбуд более не фиксируется, да и каких-то проблем при регулировании, в том числе и при резкой подаче питания не было найдено.

Даже мелкий глич, в правой половине графика, связанный с резким скачком тока нагрузки, не плохо так отрабатывает, без выбросов. 

Вообще говоря, надо почитать Хоровица-Хилла, в этом месте, так как причины именно такого решения проблемы для меня пока не очевидны.

  • Один из генераторов вЪебал при пайке на плату… Какраз тот, в котором я восстанавливал контакт сожранный флюсом. Какраз он снова и перестал контачить. Надо его еще разок перебрать, и получше восстановить эту цепь.
  • Из не очевидного… Обе LTC6957IMS-3 преподнесли сюрпризы.

Обе они мощно так загенерили, около часоты среза собственного фильтра, около 130МГц. Убрать данный самовозбуд никакими методами не удалось. Пока я долбался с ними где-то наверное сутки, меня все это время преследовало жесткое такое ощущение дежа-вю… Поиск по своему-же собственному блогу показал, что не даром! Как выяснилось, ранее я уже пробовал их применять, примерно с тем-же не-успехом. ЧОООрт!!! Я просто про это забыл!  По-видимому им для нормальной работы нужна еще более лучшая изоляция входа от выхода, чтобы избежать самовозбуда, на частоте близкой к полосе пропускания фильтра. Решить это без полного редизайна платы нельзя.

На этом моменте я сказал себе “СТОП!!!!” И принял волевое решение о полной замене концепта, и полной переделки проблемных мест проекта.

Итог: Проект пойдет полностью на редизайн! focus

Но я оцениваю это исключительно как “отрицательный рост”, так как на ошибках учатся… обычно…. если не считать момент с тем что я забыл о “LTC6957IMS-3” blush

По-крайней мере, некоторые вещи я на этом прототипе откатал, что позитивный скиллс, и вероятно смогу начать на нем писать ПО, не дожидаясь новой платы.

Сквозное проектирование

Уже много лет подряд я топлю за превосходство сквозного проектирования в любительских поделках, но раз за разом…. раз за разом вижу как народ его избегает.

Сегодня по утру Миша(мой любимый херой) выкатил этот шедевр.

И все бы ничего, но он продемонстрировал с помощью фото  и графиков работоспособность этой схемы. И такой случай с форумчанами далеко не единичен.

А подвох кроется в том, что такой схеме суждено быть взорваной при ее первом включении, так как 12-ти вольтовый стабилитрон VD1 жестко сажает 15-ти вольтовую линию на землю и все весело выгорает.

И этот пост не про конкретную ошибку конкретного инженера, нет, про нее Мише уже знакомый передал мои опасения и он ее неприменно поправит на схеме. Нет, речь про то, что при применении методов сквозного проектирования схема неизбежно синхронизируется с платой, и если там есть косяки, они будут пронизывать весь проект. И будут найдены так или иначе при тестировании и отладке. 

Именно для этого тестирование и нужно, обнаружить максимум косяков.

В стародавние времена проектов дозиметров серий Гамма и Микрон-1(2), я и сам рисовал схему  в отдельности от платы, более того просил друга вместе со мной проверить соответствие платы со схемой. Это занимало кучу времени!!!! Огромную кучу!!! И это при том, что в сущности, схемотехнически это были не сложные проекты.

Сегодня же мне приходится рисовать проекты куда более схемотехнически сложные, у которых проверить вручную связь платы и схемы очень не просто. Установить жесткую связанность схемы с платой, это важнейший аспект для них, который сокращает перечень допускаемых чисто человеческих ошибок.

Благо сегодня есть множество пакетов сквозного проектирования, таких как Altium Designer(мой самый любимый) и KiCad(не очень любимый, но популярный). При использовании их для сугубо некоммерческой хоббийной деятельности, это идеальные инструменты. Они позволяют мне в одно лицо проводить проектирование всего устройства от идеи до физической реализации, при том перенося все правки и изменения сразу по всему проекту. 

Но конечно да, я не по наслышке знаю, что пакеты сквозного проектирования даются народу не легко! Как-то пытался друга приучить к Альтиуму, но тот так на него и не пересел… слишком много крутилочек и фенечек, по сравнению с такими простыми рисовалками как Sprint-Layout. Но тем не менее, я расцениваю это как шаг вперед в саморазвитии, чего и Вам читатели желаю. Все-таки 24й год на дворе, и свое хобби надо стараться держать в современных трендах!

Человеческие ошибки никто не отменял, но если их можно постараться минимизировать, их надо минимизировать. А с ростом проекта неизбежно количество ошибок растет. По-крайней мере, такие подходы как сквозное проектирование позволяет перестать задумываться о соответствии платы со схемой. Собственно и плату когда рисуешь, часто не все в голове удержишь… А если проект единый со схемой, среда проектирования обязательно подскажет чо ты забыл трасернуть… Очень удобно.

Прогресс 3D-OCXO

За прошедшие пару недель дотестил все генераторы ГК89 и отобрал пару самых лучших. Все были выдержаны перед замерами ровно по 6 дней каждый, а замер производился по 16ч+.

Эксперимент отчетливо показывает, что они очень разные, каждый со своей скоростью дрейфа и со своим шумом. Из не очевидного, самые шумные (красный и голубой) оказались с самым низким дрейфом, менее 0.001 Гц в сутки. Совпадение? возможно! В любом случае, я сделал для себя вывод, что оценивать их надо сразу и по параметрам шумов и по дрейфу.

Представление того-же графика за вычетом линейного дрейфа более наглядно позволяет сравнить их шумы.

Уже тут наглядно видно, что зеленый и синий генераторы наиболее тихие. А расчёт девиации Аллана это еще более отчетливо демонстрирует.

Причем превосходство этих двух генераторов отчетливо прослеживается во всем диапазоне Тау от 1.2сек до тысяч секунд. Они-то и пошли в работу, и были установлены в прототип генератора 3D-OCXO.

За эти две недели Резонит изготовил няшную плату и трафареты.

И все прошедшие выходные я самоотверженно ее паял в печке-гриль.

К вечеру воскресенья она обрела вид близкий к завершенному.

Правда выяснилось, что я где-то успешно проебал пакет с микросхемами FRAM FM25V05, и пришлось заказать их заново, правда на этот раз выбор пал на более емкие FM25V20A дабы хранить в них больше исторических данных о работе генераторов.

На следующих выходных наверное буду пробовать запускать.

Халявный Нитрид-Алюминия

ЧипДип сегодня порадовал, прислал в подарок для проекта генератора, 198 теплопроводящих керамических подложек под корпус ТО-220 из самого крутого материала что существует, из Нитрида-алюминия.

KC304000-TO220.05N

Их теплопроводность в несколько десятков раз превышает теплопроводность классических подложек.

Спасибо ЧипДип!

Ошибка с землей

Ну вот как всегда, с чем нибудь да налажаешь… Всего в голове не удержишь… Хотел правильно земли ИОН развести, а на фоне заморочек с импедансами дорожек чо-то про них и вовсе забыл….

Получилось что весь ИОН, и делитель и стабилитрон висит на одной вот этой дорожке, и стабильность напряжения прямо пропорциональна протекающему через нее току около 4.5мА и ее сопротивлению.

По хорошему, это должно было выглядеть так:

Где все, и сильно-токовые земли и мало-токовые объединяются в одной точке, разделяя токи на составляющие, и потенциал земли максимально выравнивается до одного напряжения в одной точке, максимально разделяя токи друг от друга и убирая влияние паразитных сопротивлений.

Если-бы я строил ИОН, это конечно был-бы эпичный фейл… К счастью я его сделал уже более года назад, и голова о нем уже не болит crazy Для данной конструкции этот косяк не критичен. Ошибку напряжения которую добавит этот косяк, особенно учитывая что все токи протекающие через эту дорожку стабилизированы… её генераторы просто не заметят. У этих генераторов есть куда бОООльшие “встроенные” в них проблемы с опорным напряжением, по этому, да пофиг… и так отлично будет работать. Потому как соединять земли “паровозиком” тоже в принципе допустимо, что подтверждают и некоторые аппноты и расчёты Texas Instruments. Особенно учитывая лоу-кост ЦАП применённый в конструкции, как таковой не имеет потенциальных выводов отвечающих за землю.

А может допущенная ошибка на пользу пойдет… blush так как через эту звезду течет пол ампера тока от земли питальника с противоположного слоя к генераторам на этом слое, и при подключении земель ИОН звездой в одной точке, вполне таки могут быть сюрпризы с сопротивлением самой этой звезды. Потому как ТОК НЕ ТЕЧЕТ ПО ПУТИ НАИМЕНЬШЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, он такая падла, течет по всем возможным путям, порой по самым неочевидным для школьного курса физики…. просто распределяется неравномерно. И его стоит рассматривать как поле с неравномерным распределением, а не как нечто наделенное магией, всегда каким-то образом выбирающим строго маршрут с наименьшим сопротивлением. crazy И микроомы сопротивления звезды на таких больших токах могут принести тоже сюрпризы…

Но думать про всё это уже удел ебанутых пыльным мешком вольтнутов…. Фи такими быть! 

Ну теперь в любом случае, поздно пить боржоми, оставляю как есть… ибо плата уже изготавливается.

Кстати… применение ADR1399KEZ, как многие думаю уже догадались, связано не с реальной нуждой оного стабилитрона в этой конструкции, а просто с тем, что их некуда девать и нужно расходовать… Так вообще можно было-бы и попроще опорник поставить, но на него тогда-бы пришлось тратить деньги. А 1399-ми KEZ-ами пол шкафа забито…

Э – Экономия должна быть экономной! crazy

 

3D-OCXO – Заказ платы

Дааа…. давненько я чо-то хардкора не рисовал, этот проект прям как бальзам на душу….

Закончил плату и схему, на днях запущу в производство, заказ разместил конечно-же в Резонит. Ну должен же я поддерживать отечественного производителя??!!!!

Получается не дешево, но наверняка они теперь смогут выплатить зарплату какой-нибудь уборщице crazycrazycrazycrazy

Схема:

Плата:

Бот-слой:

Топ-слой:

Граунд-плейн:

Пауер-плейн:

Плату заказал с полным фаршем:

  • Тексталит с повышенной температурой стеклования HiTg170. Ибо там много мощных источников тепла, не хотелось-бы чтобы плату повело.
  • Одноунцивая медь. (35 мкм)
  • Иммерсионное золочение.
  • Черная глянцевая маска, белая маркировка.
  • Электротестирование.
  • И конечно-же трафарет!

 

3D-OCXO – Разработка платы

О прогрессе:

Неспешно приступил к рисованию платы.

Осталось проработать мелкие нюансы, но вроде все пока успешно “впихуется” в купленный на Али корпус.

95% деталей удалось купить, еще 5% докуплю попозже с зарплаты.

В очередной раз убедился что санкции не работают! Всё отлично покупается! crazy

3D-OCXO – Идея

Набросал прикидки по схемотехнике дисциплинированного генератора, вышло что-то такое.

Основная мысль в том, чтобы на борту было два отборных генератора, с наилучшей стабильностью. Которые независимо друг от друга будут дисциплинироваться модулем LEA-M8F. Причем само дисциплинирование будет производится не по алгоритму заложенному в модуль, который не лишен проблем, а по собственному алогритму.

Идея состоит в том, что пока спутники модулем лочаться, он измеряет частоту каждого генератора по отдельности. Затем методом последовательного приближения частота генераторов вгоняется максимально близко в номинал 10МГц, а после чего строится прогноз по среднесрочному дрейфу каждого генератора, и он компенсируется очень малыми порциями, в соответствии с прогнозом.

Простые прикидки в Excel показывают.

Что простенького 16-ти битного ЦАП будет достаточно, чтобы вогнать частоту генераторов в номинал с точностью около 0.016…0.027ppb. Фактически, это на гране реальности для модуля LEA-M8F, и то, только после длительного накопления данных на протяжении тысяч секунд, с последующий математической пост-обработкой.

Главная же проблема всех дисциплинированых генераторов, которые я видел, это слабая проработанность режима автономного удержания частоты Holdover. Накоплением и обработкой большого массива исторический данных в FRAM, я надеюсь построить для каждого генератора в отдельности прогноз его дрейфа. И когда данные со спутников будут пропадать, подстройка генераторов продолжится в соответствии с прогнозом.

Для проверки работы генераторов предусмотрены индивидуальные термодатчики, и детектор разности фаз и амплитуд. Который позволит не только сказать исправны ли генераторы, но и нет ли явных проблем с прогнозированием дрейфа генераторов, так как он будет дифференцировать разность фаз генераторов и вычислять по скорости изменения фазовых сдвигов разность частот. А значит вымерять генераторы между собой, и сравнивать фактические данные с прогнозируемыми, с суб-герцовой точностью. Это конечно-же не прямое сличение с эталоном, но как дополнительная проверка того что “все идет по плану” вполне сгодится, и вероятно будет очень полезным.

Сама идея поставить именно два генератора обусловлена тем, что при многих днях Holdover-а на самом-то деле уже перестаешь быть хоть сколько-то уверенным в одном генераторе. А когда их два, их можно постоянно сличать между собой, и за одно между их прогнозами, и на основании этого делать вывод “въебло/не въебло”.

Целевая задача, получить устройство обеспечивающее суб-ppb-шную точность частоты в любых условиях приема спутников, и девиацию менее 1E-11 в диапазоне Тау=1…2000сек, и девиацию менее 1E-10 при Тау от 1 дня до бесконечности. Поскольку именно данные параметры стабильности мне кажутся разумными для моих сумасшедших экспериментов. crazy

Надо с этими мыслями переспать, и начать рисовать плату.

Ну и что-то мне подсказывает, что прогнозировать дрейф этих генераторов, при достаточно большом массиве исторических данных, можно довольно точно. А значит, вероятно устройство будет отлично работать неделями в автономном режиме.

Морионы

Морионы продолжают сыпать как из рога изобилия, приехало еще 3…

А один из новой партии, вообще прям совсем олдскульный.

Починил еще один, в котором рассыпался керамический конденсатор.

Ну и мысль о том, что все кристаллы в них очень разные, пока только подтверждается. Второй наработал 6 суток, и при сравнении его с первым генератором, разница очень даже видна по дрейфам во всем диапазоне измерения.

Причем что характерно, высокая краткосрочная девиация в пределе до 200 сек, коррелирует с высоким дневным дрейфом. Насколько это типично для них покажут последующие измерения еще 3 генераторов.

А пока я все это чиню и измеряю, сама по себе продолжает рисоваться схема 3D-OCXO.

На тему шутки о том что все само рисуется, это для тех кто в танке объясняю: в некоторых на голову отшибленных пабликах малолетние дебилы распространяют мифы, что сам я ничего не делаю, и мне кто-то постоянно подсказывает что-то…. 

Ну зачем мне разочаровывать малолетних дебилов ? Они же люди с неустойчивой психикой, не ровен час могут и суицид учинить…. над кем-же я тогда ржать буду ? laugh Пусть думают что хотят, я даже поддержу, сказав что: сам я ничего не делаю естественно! Для этого мне нужна благодать посланная богом прецизионности и тогда все делается само собой. crazy