10-MHz-Referenzgenerator: Hochgenau, mit Verteiler und galvanischer Trennung

Müssen in komplexen Messaufbauten Frequenzen und/oder Zeiten erfasst werden und die Ergebnisse genau und vor allen Dingen zeitlich präzise aufeinander bezogen sein, sollten diese Messgeräte möglichst synchron laufen. Zu diesem Zweck koppelt man sie mit Hilfe einer hochgenauen Referenzfrequenz. In diesem Beitrag wird beschrieben, wie man solch einen Referenzgenerator selbst bauen kann.

Wenn keine anderen Gründe dagegen sprechen, wird in solchen Messaufbauten das Gerät mit der genauesten Zeitbasis zum Master erklärt und sein Ausgangssignal dient als Referenz für die anderen Geräte. Die Signalverteilung kann zum Beispiel in Form einer „Daisy Chain“ ausgeführt werden, indem jedes Gerät die Referenzfrequenz an seinem Eingang zu seinem Ausgang durchschleift, wodurch eine serielle Kette entsteht. Die Alternative ist eine Sternschaltung mit Hilfe eines Verteilerverstärkers, wodurch mehrere Referenzsignale quasi parallel zur Verfügung stehen. Als Referenz hat sich eine Frequenz von 10 MHz etabliert.

Masseprobleme

Ein häufig anzutreffendes Problem in solchen Messaufbauten sind Masseschleifen, die empfindliche Messungen stark stören können. Hintergrund: Die Massen der Ein- und Ausgangsbuchsen sind mit dem Schutzleiter (PE) der Netzbuchse, den Steckverbindern der Datenschnittstellen (GPIB, USB) und den Massen der Buchsen der Referenzsignale verbunden. In den so entstehenden Masseschleifen können sich magnetische Störfelder einkoppeln oder Ausgleichsströme fließen, die die Nutzsignale durch unerwünschte Störsignale beeinträchtigen.

Bei Referenzsignalen kann eine Masseschleife durch galvanische Trennung mit Hilfe von HF-Trafos verhindert werden. Solche Trafos gibt es in kleinen Gehäusen mit BNC-Steckverbindern, zum Beispiel von Mini-Circuits. Sie müssen für eine Daisy-Chain-Anordnung zwischen jedes Gerät eingefügt werden. Bei Benutzung eines Verteilers wird solch ein Trafo zwischen Verteiler und jedem Referenzeingang eines Messgeräts eingeschleift. Verteiler mit integrierten HF-Ausgangstrafos zum vereinfachten, massefreien Anschluss von Messgeräten scheint es derzeit auf dem Markt nicht zu geben. Dieses Manko inspirierte mich zur Entwicklung eines Referenzgenerators, der nicht nur mit einem hochgenauen, geheizten Oszillator bestückt ist, sondern mehrere massefreie Ausgänge bietet.

Prinzipschaltung

Die Blockschaltung des Generators ist in Bild 1 zu finden. Links oben ist die Erzeugung des 20-MHz-Basistakts zu sehen, wahlweise mit einem einfachen Quarz-Oszillator oder einem aufwändigeren, kalibrierbaren Quarz-Ofen. Nach Halbierung auf 10 MHz und Filterung steht die Referenzfrequenz bereit zur Pufferung und Verteilung (rechte Seite).

Alternativ kann die Schaltung auch lediglich als Verteilverstärker dienen. Falls man eine hochwertige externe Referenzfrequenz zur Verfügung hat, kann man diese am Referenzeingang links unten einspeisen. Nach Amplitudenstabilisierung durch einen speziellen HF-Verstärker (AGC) gelangt dieses Signal als Referenz an die Verteilverstärkerbank rechts.

Schaltung

Wie man in der Schaltung von Bild 2 sieht, ist die Versorgung des Digital- und Analogteils getrennt. Die Takterzeugung wird vom 3,3-V-Netzteil rund um Tr1 und IC3 versorgt. Aus diesem Zweig wird auch die Heizung eines eventuellen Quarzofens gespeist. Seine Bestückung sorgt dafür, dass man eine genaue und driftarme Referenzfrequenz erhält.

Die Versorgung der analogen Verstärker erfolgt symmetrisch mit ±5 V von Tr3 und den beiden klassischen Spannungsreglern IC1 und IC2. Zwecks sauberer Spannungen sind über die Schaltung jede Menge kleine Entkopplungs-Elkos mit je 22 µF und 100-nF-Vielschicht-Kondensatoren verteilt. Die Pegelstabilisierung eines externen Referenzsignals per AGC erfolgt über den +5-V-Zweig, wobei kleine RC-Filter (R311/C85 und R312/C84) eingeschleift sind. Zwei LEDs auf der Platine zeigen Betriebsbereitschaft an. Eine zusätzliche LED mit gleicher Funktion kann auf der Frontplatte montiert werden. Bei Bestückung aller Ausgangsstufen fließt ein Strom von rund 180 mA im ±5-V-Zweig.

Oszillatoren

Als Oszillator dient ein hochpräziser, beheizter Quarzgenerator des Typs FTM301 der Firma FOX oder alternativ zum Beispiel der Typ OH300-50503CF-020.0M von Connor-Winfield (Y1 in Bild 2). Bei geringeren Qualitätsansprüchen genügt auch ein einfacher 20-MHz-Quarzoszillator (XO1 von Bild 2, ). Es wird natürlich nur eine der beiden Alternativen bestückt. Bei Bestückung von Y1 zieht die Schaltung nach dem Einschalten für einige Sekunden während des Aufheizens bis zu 800 mA aus dem 3,3-V-Zweig. Anschließend reduziert sich der Strom auf circa 350 mA.

Über den Eingang VC (Pin 1) kann man die Frequenz von Y1 mit einer durch IC6 generierten und mit R16 einstellbaren Steuerspannung von 0…2,5 V in geringem Umfang beeinflussen. Bei Bestückung von XO1 statt Y1 kann man sich also IC6 samt Trimmpoti R16 sparen. Manche Oszillatoren enthalten eine eigene Referenzspannung, die sich an Pin 2 abgreifen lässt. In diesem Fall kann IC6 entfallen und stattdessen R17 bestückt werden. Bei Oszillatoren ohne eigene Referenzspannung muss IC6 bestückt werden und R17 kann entfallen. Mit R16 lässt sich die Referenzfrequenz kalibrieren, wozu man selbstverständlich eine geeignete und vor allem hochpräzise Referenzfrequenz braucht.

Falls man keinen großen Wert auf absolute Genauigkeit legt, reicht auch der einfache und preiswerte Quarzoszillator XO1 im XO91-Gehäuse aus. Nochmals: Es darf nur ein Oszillator bestückt werden – Y1 oder XO1. Für XO1 benötigt man aufgrund der niedrigeren Stromaufnahme keinen zusätzlichen Trafo TR1 und auch der Gleichrichter aus D1…D4 entfällt. Stattdessen wird R5 bestückt, um die nötigen 3,3 V aus dem 5,5-V-Zweig abzuleiten. R11 wird bei Einsatz von XO1 und R18 bei Verwendung von Y1 bestückt.

Um ein optimales Tastverhältnis von 50 % des 10-MHz-Signals zu erreichen, werden die 20 MHz des primären Takterzeugers durch ein D-Flipflop geteilt. Eine Alternative stellt die Bestückung mit 10-MHz-Generatoren dar, wodurch U2 entfällt und sein Eingang durch Bestückung von R13 mit dem Ausgangspin verbunden wird. Das 10-MHz-Signal wird dann noch durch einen passiven Cauer-Tiefpass fünfter Ordnung um L8 und L9 von Oberwellen befreit, damit aus einem rechteckförmigen ein Sinussignal entsteht. Die Grenzfrequenz des Filters beträgt 11 MHz, seine Welligkeit nur 0,1 dB und seine Ein- wie Ausgangsimpedanz etwa 100 Ω. Der Spannungsteiler R14/R15 reduziert das Eingangssignal und C22 trennt die Gleichspannungsanteile (= halbe Betriebsspannung) ab.

R50, R51 und R52 schließen den Ausgang des Filters ab. Mit Trimmpoti R51 lässt sich die Amplitude einstellen und an den Eingangspegelbereich der AGC anpassen. Mit dem Relais K1 und einem Schalter auf der Frontplatte kann man zwischen dem Signal des internen Generators und des Referenzeingangs wählen.

Verteilerverstärker

IC5A verstärkt das Signal um den Faktor 2 und verteilt es über eine mit 50 Ω (R130) abgeschlossene Leitung an sechs der sieben Ausgangsstufen, um Reflexionen auf den Leiterbahnen der Platine zu vermeiden und möglichst gleichen Pegel an allen Eingängen der sieben Ausgangsstufen zu erreichen. Der 50-Ω-Widerstand dieser Stufen dient der Entkopplung der Eingangskapazität der dort verbauten Opamps. Sechs dieser Stufen werden mit je zwei sogenannten Video-Opamps realisiert. Mit ihren 500-Ω-Trimmpotis lassen sich die Amplituden dieser sechs Kanäle individuell einstellen.

Der zweite Opamp von IC5 treibt über einen 50-Ω-Widerstand ein serielles Bandpassfilter aus den beiden parallelgeschalteten Kondensatoren C66 und C67 plus der Spule L7 und letztlich den HF-Trafo Tr51 vom Typ ADT1-1 . Diese Ausgangsstufe hat kein Trimmpoti und ihre Ausgangsspannung ist daher auch nicht einstellbar.

Generell gilt: Wenn man keine galvanische Trennung benötigt, kann man die HF-Trafos Tr51 bis Tr57 auch weglassen und stattdessen je zwei 0-Ω-Widerstände einsetzen. In meinem Prototyp habe ich Opamps des Typs MAX4392ESA im SOIC8-Gehäuse benutzt. Man kann aber auch andere Videoverstärker verwenden, die für eine Stromversorgung von ±5 V geeignet sind.

Bei galvanischer Trennung und einer metallenen Front/Rückseite muss man logischerweise auf isolierte BNC-Buchsen achten!

Referenzeingang und AGC

Für diese Teilschaltung wird ein AGC-IC vom Typ AD8368 von Analog Devices (U1) benutzt. Die Beschaltung von Bild 2 entspricht der Empfehlung des Datenblatts. Um den Eingang nicht zu übersteuern, ist vor den HF-Eingangstrafo Tr81 ein Dämpfungsglied von 6 dB geschaltet. Bei Verzicht auf die galvanische Trennung kann auch hier der Trafo entfallen und durch die beiden Widerstände R307 und R308 ersetzt werden. Die Pegelstabilisierung via AGC funktioniert mit Eingangssignalen von 70...2.000 mV_SS an 50 Ω. Kleinere Eingangspegel verringern den Ausgangspegel, größere Eingangspegel vergrößern ihn.

Das Netzteil

Nach dem Einschalten der Schaltung mit kaltem Quarzofen fließt deutlich mehr Strom als später im wohltemperiertem Zustand. Daher ist ein relativ kräftiger Trafo mit Schottky-Dioden und großem Sieb-Elko vorgesehen. Per Low-Drop-Regler LT1963AET-3.3 (Analog Devices) werden die stabilisierten 3,3 V erzeugt. Der Regler muss gekühlt werden. Zu diesem Zweck kann man ihn isoliert an die Rückwand eines Alugehäuses schrauben. Seine Ausgangsspannung lässt sich über den Shutdown-Eingang abschalten, wenn man gerade die externe Referenzfrequenz nutzen und die Schaltung nur als Verteilverstärker betreiben will. Diese Maßnahme verhindert Interferenzen zwischen dem internen Generator- und dem externen Referenzsignal. Relais K1 wird von einem Schalter auf der Frontplatte gesteuert, der an JP2 angeschlossen wird. Ein Umschaltkontakt des Relais wählt das Eingangssignal für den Verteilverstärker. der andere Kontakt steuert über T1 den SHDN-Eingang von IC3 und über T2 den ENBL-Eingang der AGC.

Noch ein Hinweis zum Aufbau: Eine gute thermische Isolierung des Quarzofens verringert seine Stromaufnahme. Spätestens nach 30 Minuten hat er seine maximale Genauigkeit erreicht.

Bestückungsoptionen

Wie bereits deutlich wurde, lässt die Platine mehrere Bestückungsoptionen zu. In der Stückliste sind die optionalen Bauteile mit einem Sternchen versehen. Die Bestückungsoptionen sind der Übersichtlichkeit halber hier noch einmal präzisiert:

Quarzofen oder einfacher Quarzgenerator

Für den Quarzofen Y1 müssen Tr1, die Dioden D1…D4 und C1 bestückt sein. R5 entfällt.

Für XO1 entfallen Tr1, D1…D4 und C1. Stattdessen wird R5 bestückt.

Oszillator mit 20 MHz oder 10 MHz

Bei 20-MHz-Oszillatoren muss der Teiler U2 bestückt werden. R13 entfällt.

Bei 10-MHz-Oszillatoren entfällt U2. R13 muss bestückt werden.

Referenzspannung des Quarz-Ofens

Hat der Quarzofen eine interne Referenzspannungsquelle so entfällt IC6 und R17 müssen bestückt werden.

Ohne interne Referenzspannungsquelle wird IC6 benötigt. R17 sollte in diesem Fall nicht bestückt sein.

Interne, externe Frequenzerzeugung oder beides

Es können lediglich die internen Oszillatoren oder der Eingang für eine externe Referenz mit AGC oder auch beide Teile bestückt werden. Bei Benutzung eines internen Generators wird die AGC ausgeschaltet. Bei Benutzung des externen Eingangs mit AGC werden die 3,3-V-Stromversorgung und damit die Oszillatoren und der Teiler abgeschaltet.

Galvanische Trennung

Falls eine galvanische Trennung nicht erforderlich sein sollte, können die HF-Trafos entfallen. Dafür müssen dann jeweils die beiden 0-Ω-Widerstände pro Trafo zu dessen Überbrückung bestückt werden. In diesem Fall muss man auf die richtige Polarität beim Anschluss der BNC-Buchsen achten.

R302 und R305

Diese Widerstände dienen dazu, in Parallelschaltung zu R301 und R306 auch „krumme“ Werte zu erreichen. Für die hier vorgesehene Dämpfung von 6 dB sind die angegebenen Werte von R301 beziehnungsweise R306 genau genug. R302 und R305 können somit entfallen.

Aufbau

Bild 3 zeigt die teilbestückte Platine, deren Layout-Dateien im Eagle-Format von der Elektor-Webseite kostenlos heruntergeladen werden können. In Bild 4 ist eine in ein Teko-Gehäuse eingebaute Platine zu sehen. Wie schon erwähnt, sollten die BNC-Buchsen bei galvanischer Trennung isoliert eingebaut werden. Der in diesem Beitrag beschriebene Referenzgenerator ist vielseitig einsetzbar, sehr genau und vermeidet Masseschleifen in komplexen Testaufbauten. Beim Autor sind übrigens noch einige Leerplatinen erhältlich.

Anmerkung der Redaktion: Übersetzt von Jörg Starkmuth. Der Artikel, 10 MHz Referenzgenerator (180385-02), erscheint in Elektor Mai/Juni 2024.

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