MMDVM и TCXO

23.6.2019

Причиной написания данного материала стала покупка нескольких плат клонов MMDVM, произведенных в Китае и дальнейшая борьба заставить их всех работать.

Это описание ставит задачу оценки качества термокомпенсированных кварцевых генераторов (TCXO) для применения в MMDVM.

Итак, имеем два типа плат клонов MMDVM для использования совместно с Raspberry Pi:

  • симплексная плата MMDVM (MMDVM HS Hat — Jumbo Spot -rev.1.7 — 03/2019)
  • дуплексная плата MMDVM (MMDVM HS  Dual — v.1.3 — 09/2018)

Платы MMDVM испытывались (были установлены) на два типа плат Raspberry Pi:

  • Raspberry Pi 3 Model B+ с установленной версией Pi-Star:4.0.0-RC4
  • Raspberry Pi Zero W Rev 1.1   с установленной версией Pi-Star:3.4.17

После конфигурации в Pi-Star оказалось, что симплексная плата работает нестабильно — она могла проработать несколько часов нормально, а потом перестать декодировать передачу с YAESU FT-70 в режиме C4FM (System Fusion). Перестановка симплексной MMDVM платы с Raspberry Pi Zero W на другую плату Raspberry Pi 3 Model B+ не дала положительного результата, что только подтвердило предположение, что причиной проблемы является именно симплексная плата MMDVM. «Танцы с бубном» в виде перезагрузок и изменения значений RXOFFSET также не прибавили  уверенности, что MMDVM будет работать и следующие несколько часов. Иногда плата неожиданно начинала работать только на следующий день и процесс этот был явно не коррелируемый…

Надо упомянуть, что продавец поступил порядочно и прислал мне новую симплексную плату MMDVM. В нашем обсуждении возможных причин неисправности он упомянул, что при производстве они используют оригинальные не дешевые высококачественные TCXO от известного производителя.  Но как сказал один мой знакомый: «ну что здесь может не работать — всего две микросхемы и пассивные компоненты…».

Поиск в интернете только подтвердил имеющиеся предположения о том, что причиной нестабильной работы вероятнее всего является нестабильность частоты опорного генератора TCXO на 14.7456 МГц для микросхемы радиоканала ADF7021. То есть главной задачей стало проведение измерений стабильности частоты TCXO используемых в платах MMDVM. 

Решил начать с исследования имеющихся на двух платах MMDVM двух TCXO. На обоих платах были установлены внешне одинаковые  TCXO на частоту 14.7456 МГц размером 3.2 х 2.5 мм  с маркировкой на крышке корпуса «ECS TXO», что соответствует изделию ECS-TXO-3225  (https://ecsxtal.com/store/pdf/ECS-TXO-3225.pdf)  компании ECS, Inc. International ( https://ecsxtal.com/ )

Дополнительно для исследования и замены на неисправной плате купил в Москве несколько TCXO на ту же частоту, а именно:

  • SMD05032C4\STH325GS\SIN\3,3В
  • SMD05032C4\TC0514745XWNDXX\SIN\ 3,3В
  • SMD05032C4\DSA535SC\SIN\3В
Теперь, когда для испытаний все было в наличии, решил провести инструментальные измерения абсолютных значений стабильности частоты опорных генераторов TCXO, и в первую очередь сравнить TCXO на симплексной неработающей плате и TCXO на работающей дуплексной MMDVM плате от одного производителя ECS, Inc. International .  

Для измерения кратковременной и средневременной нестабильности частоты TCXO используется специальная измерительная установка для измерения девиации Аллана для различных значений тау.

Для увеличения — нажмите на график.

Синий график — девиация Аллана для неработающей симплексной платы MMDVM.

Малиновый график — девиация Аллана для нормально работающей дуплексной платы MMDVM.

Если сравнить эти графики, то очевидно, что стабильность частоты двух TCXO генераторов отличается примерно в 100 раз, что и объясняет причину неработоспособности симплексной платы (синий график) MMDVM.

Процедура экспресс измерения девиации Аллана дает однозначный ответ о пригодности использования TCXO в пределах 10 мин, полный анализ одного TCXO занимает примерно 1 час (в зависимости от заданного значения тау).

Далее были произведены измерения (см. графики ниже) девиации Аллана для двух купленных TCXO: 

  • STH325GS
  • TC0514745XWNDXX

Анализ графиков показывает, что купленные TCXO имеют существенно лучшие характеристики по стабильности частоты, чем неработающий TCXO на симплексной плате. В последствии неработающий TCXO на симплексной плате был заменен на STH325GS и показал стабильную работу.

И еще один момент, связанный с работой TCXO. В соответствии с принципиальной схемой MMDVM опорный сигнал TCXO 14.7456 МГц подается на контакт 39 (OSC1) микросхемы ADF7021. Однако если посмотреть описание микросхемы радиоканала ADF7021 (https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADF7021.pdf )  уровень опорной частоты с TCXO на входе OSC1 должен быть 0.8 В (в размахе), а не 3.3 В как поступает от установленного производителем TCXO ECS-TXO-3225, имеющего CMOS выход. Если же с TCXO поступает опорная частота уровнем CMOS, то она должна подаваться не на OSC1 (вывод 39), а на OSC2 (вывод 38). Выдержка дословно из ADF7021 datasheet:

  • pin 38 — OSC2 — A TCXO reference can be used by driving this pin with CMOS levels and disabling the internal crystal oscillator.
  • pin 39 — OSC1 — A TCXO reference can be used by driving this pin with ac-coupled 0.8 V p-p levels and by enabling the internal crystal oscillator.

Итого:

  • измерение девиации Аллана применяемого TCXO позволяет однозначно определить возможность использования конкретного опорного генератора в MMDVM, а также выявить причину нестабильной работы изделия
  • при условии сохранения подачи сигнала TCXO на вывод 39 ADF7021 уровень опорного сигнала должен быть 0.8 В («сжатый синус»).