Oszcillátorok frekvenciastabilizálása

A VFO-knak, azaz változtatható frekvenciájú oszcillátoroknak a frekvenciáját forgókondenzátorral vagy kapacitás dióda segítségével hangolhatóvá tesszük. Azonban nem csak általunk hangolódik, hanem percekkel később akár 100 hertzekkel is odébb "kúszhat". Ennek a kúszásnak a megszüntetéséről szól az alábbi szócikk.

Frekvenciastabilizálás Huff & Puff módszerrel

Frekvenciazárt hurok, Frequency Lock Loop, FLL.

Ezt a stabilizálási módszert Klaas Spaargaren, PA0KSB publikálta először 1973 áprilisában. A Huff & Puff stabilizátor lényege abban rejlik, hogy egy kisfrekvenciás, tipikusan néhány hertzesre leosztott frekvenciájú, stabil oszcillátor élváltásánál mintavételezzük a VFO jelét.

Amennyiben az élváltáskor például magas szintet sikerült elkapnunk, az oszcillátorba épített kapacitás dióda hangolófeszültségét nagyon kis mértékben például felfelé mozdítjuk el, amennyiben alacsony szintet sikerül elkapnunk, a kapacitás dióda hangolófeszültségét nagyon kis mértékben lefelé mozdítjuk. A nagyon kis mérték fontos. Ezt nagy névértékű soros ellenállás és nagy névértékű kondenzátorból álló aluláteresztő szűrővel érjük el.

Ezáltal a VFO frekvenciájának élváltása egybe fog esni a kisfrekvenciás jelünk élváltásával. Hogy melyik élváltása, az kevésbé érdekel, hiszen a célunk az, hogy az oszcillátor lassú kúszását megfogjuk.

Amennyiben a VFO-t odébbhangoljuk, a gyors beavatkozásunkba a Huff & Puff stabilizátor nem akadályoz meg, hiszen igen lassú a stabilizálása. Ezáltal a VFO-t probléma nélkül tudjuk hangolni, azonban ahova hangoltuk, a beállított frekvencia kúszását a Huff & Puff módszer a referencia frekvenciának megfelelő lépésenként (esetünkben 32 Hz) stabilizálja. Ez egyben a legkisebb frekvencia léptethetőség értékét is adja, azaz esetünkben 32 Hz-es lépésközökben hangolható a VFO.

Alább látható egy egyetlen IC-vel megépített stabilizátor rész, amely bármely kapacitás diódával hangolt VFO-hoz illeszthető.

Pontos frekvencia előállítása PLL szintézerrel

Fázis komparálással

Ha csak fáziskomparátort tartalmazó (szorzó, XOR kapus, mintavételezett) megoldást alkalmazunk, akkor a fent ismertetett Huff&Puff stabilizátorhoz hasonló eredményre jutunk.

Ennek belátásához a elegendő a mintavételezéses fáziskomparátorra gondolni, hiszen a Huff&Puff teljes mértékben ezt az elvet alkalmazza. Ez a mintavételezéses stabilizálási elv alkalmas arra is, hogy egy például 5 MHz környéki referenciafrekveciával tartsunk pontos értéken egy 145 MHz-es oszcillátort, amely oly módon van megtervezve, hogy 143...147 MHz közt képes rezegni. Ha ez a feltétel mégsem teljesülne, akkor a mintavételezéses komparátorunk ismét stabilizálni fog, de a referenciafrekvenciának megfelelő frekveciával (esetünkben 5 MHz-el) odébbi frekvencián.

Az XOR kapus megoldáshoz le kell osztani a VFO frekvenciáját. A Huff&Puff stabilizátor példájával élve osszuk le olyan számlálólánccal, amely kimenete 32 Hz-et ad, majd ezt a 32 Hz-es jelet és a referenciaoszcillátor 32 Hz-es jelét XOR kapuba vezetve szintén kapunk egy olyan szabályozójelet, amely +/- 90 fokos fázishelyzetek közt előállítja az oszcillátor hangolófeszültségét. Ha pedig +/- 180 fok közöttire szeretnénk növelni a tartományát, akkor XOR kapu helyett JK tárolóra (RS + 2 NAND kapu) kell áttérni. A lényeges különbség ebben az esetben viszont az, hogy ha kiesünk a szabályozási tartományból, akkor ez a megoldás nem fog a referenciafrekvenciának megfelelő lépéstávolságra levő frekvenciára húzni, hanem szabályozatlan módon hagyja rezegni a VFO-t.

Kettő D tárolós sorrendi hálózattal

Ez esetben már nem csak a kúszás ellen kívánunk védekezni, hanem egy pontos frekvenciát akarunk látni a VFO kimenetén. Ugyanis belátható, hogy a sorrendi hálózat miatt nemcsak +/- 180 fokos fázishatárig húzza be a VFO-t a PLL, hanem ebben az esetben már az időbeli elsőségre is érzékeny.

Azaz a pontos frekvenciára hangol, amelyet az osztó osztásának változtatásával vagy a referencia frekvencia változtatásával tudunk odébbhangolni.

Pontos frekvencia előállítása DDS segítségével

A DDS segítségével a fentiektől teljesen más elven lehet előállítani a kívánt frekvenciát. A DDS esetében egy színuszjel értékei vannak például 256 lépésben 1,4 fokonként (256 * 1,4 = 360) a memóriában eltárolva. Egy mintavételezési sebességgel lépkedő memóriamutató ezekből az értékekből választja ki minden N. értéken levőt, amit kiad a D/A átalakítón keresztül.

Ez még csak lépcsőjel eddig. Színusz úgy lesz belőle, hogy egy olyan, megfelelően nagy meredekségű aluláteresztő (általában LC) szűrőt kell a DDS kimenetére tenni, amely a fenti lépcsőjelet színusszá alakítja. Az aluláteresztő szűrőt oly módon kell méretezni, hogy a mintavételezési órajel fele frekvenciájánál már nagy csillapítással rendelkezzen. Ekkor szép színuszos jelet kapunk, amely frekvenciáját az hatórozza meg, hogy mekkora N értéket konfiguráltunk adott pillanatban a DDS számlálójába.

Bővebben lásd a DDS szócikkben.

Igen pontos frekvencia előállítása

Ha valahova nagyon pontos frekvencia kell, oda gyakran a kvarckristály segítségével általunk felépített oszcillátor nem elég. Nyerhetünk pontosságot az egy tokban készen kapható kvarcoszcillátorokkal, hiszen ezek állandó hőmérsékleten tartó belső fűtéssel rendelkeznek.

Amennyiben még ez sem adna megfelelő pontosságot, akkor jön szóba az a trükk, hogy például a GPS vevő modulok által szolgáltatott 1 Hz-es jelet felhasználva pontosítjuk a kvarcoszcillátorunkat. Némely műholdvevő modul az 1 Hz-es mellett pontos 10 kHz-es referenciajelet is előállít. Utóbbival egyszerűbben és gyorsabb beállású PLL építhető.