Синтезатор частоты 23.5 — 6000 МГц на MAX2870 (Aliexpress)

15.10.2022

Первым кандидатом для обзора стал синтезатор частоты на MAX2870 с Aliexpress, о котором мне сообщил мой друг и учитель Владимир Алексеевич Прокофьев, RA3ACE. Сомнения в необходимости покупки исчезли в связи предоставляемой в тот момент существенной скидкой, которая делала весьма привлекательной идею получить синтезатор на частоты 23.5 — 6000 МГц с дисплеем управления, равный стоимости одного похода в «Перекресток».  

Итак, синтезатор был заказан на Aliexpress в магазине Dcenta Official Store по ссылке и прибыл в Москву за три недели.  В комплект поставки входит плата синтезатора и кабель питания USB.

Заявленные характеристики синтезатора частоты:

  • Диапазон частот:  23.5 — 6000 МГц
  • Выходная мощность: от — 4 до + 5 дБм
  • Напряжение питания: 5 В 
  • Потребляемый ток:  0.2 А
  • Интерфейс питания: USB-C
  • Шина управления синтезатором: SPI
  • Количество ВЧ выходов: 1
  • Выходной ВЧ разъем: SMA
  • Тип выходного сигнала: синусоидальный
  • Диапазон рабочих температур: -40 … 85C
  • Размер блока: 90 х 63 х 15 мм

Синтезатор частоты может работать в двух режимах:

  • генерация сигнала на заданной частоте от 23.5 до 6000 МГц с заданным уровнем (от -4 дБм до +5 дБм с четырьмя шагами по 3 дБ) 
  • свипирование от начальной частоты до конечной частоты с заданным шагом изменения частоты и периода свипирования  от 3 мс до 50 с 

Синтезатор сигналов выполнен на микросхеме MAX2870 компании Maxim Integrated,  представляющую собой сверхширокополосную систему ФАПЧ (PLL) со встроенным управляемым напряжением ВЧ генератором (VCO), способную работать в целочисленном и дробном режимах. VCO работает в диапазоне частот от 3000 МГц до 6000 МГц, а более низкие частоты (ниже 3000 Мгц) получаются делением фундаментальной частоты внутренними цифровыми делителями на коэффициенты деления 1/2/4/8/16/32/64/128. За счет этого удается уменьшить фазовый шум в синтезированном сигнале.

Управление микросхемой синтезатора MAX2870 осуществляется по цифровой шине SPI  от микроконтроллера STM32F072.

В качестве опорной частоты синтезатора используется сигнал 25.000 МГц с TCXO уровнем стабильности частоты 0.5 ppm.  

Основной экран синтезатора частоты

Cнизу на плате установлены выключатель  «OFF/ON»  и кнопка «RESET».

К сожалению минимальный шаг установки частоты составляет в моем экземпляре синтезатора только 1 МГц. По всей видимости это сделано для получения более хорошего значения фазового шума.

Экран установки параметров синтезатора частоты

Обратная сторона печатной платы синтезатора частоты

На плате установлены следующие активные элементы:

  • MAX2870 — синтезатор частоты
  • STM32F072CBT6  — микроконтроллер управления
  • 24LC02 — последовательная EEPROM
  • XPT2046  — контроллер сенсорного экрана
  • AMS1117-3.3V — линейный стабилизатор на 3.3 В
  • CH340N — драйвер «Serial — USB»
  • TCXO  25.000 МГц  0.5ppm — опорный генератор на 25.000 МГц
  • цветной графический дисплей 2.8″ (320 x 240 точек) с видимым полем 58 x 45 мм

Измерения:

Для исключения внешних шумов по питанию по шине USB все измерения проводились при питании платы синтезатора MAX2870 от внешнего аккумулятора Power Bank  MI  5000 мАч  типа NDY-02-AM (5.0 В / 2.0 A).

Опорный генератор 25 МГц

В синтезаторе используется опорный кварцевый генератор на частоту 25.000 МГц со стабильностью частоты 0.5 ppm, выполненный в корпусе SMD05032C4.  SMA разъем «MCLK» может быть как входом, так и выходом. По умолчанию на него выводится опорная частота 25 МГц, но если выключить опорный генератор замкнув контакты «REF Enable», то на разъем «MCLK» можно подать внешнюю опорную частоту (если требуется более высокая стабильность и точность частоты. Установленный на плате синтезатора опорный генератор 25 МГц не имеет подстройки частоты (по факту у моего экземпляра опорная частота 24.999 759.2  Гц ).  Светодиод «PLL Lock» отображает захват частоты синтезатора системой ФАПЧ.   

  На фото микросхема синтезатора частоты MAX2870 и опорный генератор 25.000 МГц

Опорный генератор 25.000 МГц не имеет возможности электрической корректировки частоты, но может быть выключен замыканием контактов «REF ENABLE». 

Выходной сигнал опорного генератора на разъеме MCLK 

Измеряем девиацию Аллана для определения качества опорного генератора по стабильности частоты

Сравнительные испытания стабильности частоты (измерение девиации Аллана) различных опорных генераторов.

Установленный на плате синтезатора кварцевый опорный генератор 25.000 МГц имеет не высокие параметры по стабильности частоты — девиация Аллана для тау = 100 сек составляет 1.44 * 10 (-8), что на верхнем диапазоне частот может быть не достаточным для некоторых протоколов связи. Разница в стабильности частоты между конкретным TCXO и стандартным OCXO составляет примерно 500 раз !

Измерения спектра и фазового шума синтезатора частоты

Ниже приведены по три картинки для каждой частоты измерений:

  • левая картинка — спектр сигнала на выходе синтезатора при полосе обзора 100 кГц
  • центральная картинка — спектр сигнала на выходе синтезатора при полосе обзора 1 МГц
  • правая картинка — фазовый шум на выходе синтезатора

Все спектрограммы ниже показаны с учетом включенного аттенюатора 10 дБ на входе анализатора спектра.

25 МГц

50 МГц

100 МГц

145 МГц

435 МГц

1000 МГц

1300 МГц

2000 МГц

2400 МГц

3000 МГц

5600 МГц


Таблица результатов измерений максимальной выходной мощности и фазового шума 

Частота, МГцВыходная мощность, дБмФазовый шум @ 10 кГц, дБн/Гц
251.90-131
501.86-127
1001.97-122
1452.21-120
4352.22-109
10002.67-106
13002.92-104
20002.92-103
24002.27-98
3000— 0.47-91
5600-6.06-86

Измерения выходной мощности произведены прибором Anritsu ML2437A с датчиком мощности MA2472A. Измерения фазового шума произведены прибором R&S FSQ8.

Измерения внеполосных излучений

Зафиксирован достаточно высокий уровень внеполосных излучений.
Ниже для примера показаны измерения для выходной частоты 100 МГц.

Сигнал на выходе синтезатора на частоте 100 МГц при обзоре в 300 МГц

Достаточно высокие уровни внеполосных излучений не подавленной частоты сравнения кратные 25 Мгц могут доходить до уровня — 48 дБн.

В итоге:

Выявленные плюсы:

  • не высокий фазовый шум 
  • достаточно стабильный для большинства приложений  TCXO  25.000 МГц  0.5 ppm / ADEV = 7 мГц для тау = 100 сек
  • синтезатор запоминает последние значения и начинает работать с них при подаче питания
  • разъем SMA «MCLK» — выход опоры 25.000 МГц и возможный вход внешней опоры при выключении внутреннего TCXO

Выявленные минусы:

  • минимальный шаг перестройки частоты только 1 МГц
  • большая неравномерность выходной мощности выше 2000 МГц
  • диапазон управления выходной мощностью весьма небольшой
  • нет возможности сменить частоту опорного генератора
  • нет возможности скорректировать частоту встроенного опорного генератора
  • высокий уровень внеполосных излучений, кратных частоте сравнения 25 МГц

Оставшиеся на вопросы на момент написания статьи:

  • как сделать на выходе синтезатора шаг перестройки частоты 10 кГц как написано в «Руководстве» на синтезатор (см. стр.1  — Minimum resolution: 10kHz.)

    Ответ: ответа пока нет, минимальный шаг перестройки частоты составляет 1 МГц вместо обещанных 10 кГц.  При наборе частоты «50.77 МГц» на выходе 50.00 Мгц, при  наборе частоты «50.12 МГц» на выходе тоже 50.00 Мгц, то есть значения частоты после точки просто игнорируются. 

    Обновление от 24.10.22. Продавец Dcenta Official Store прислал ответ от производителя, подтверждающий что минимальный шаг изменения частоты синтезатора не 10 кГц (как написано в «Руководстве по эксплуатации/ User manual»), а 1 МГц !!!  :

    » hello customer, regarding the frequency unit, our manufacturers said minimal resolution is 1 MHz. «

  • как скорректировать частоту опорного генератора (по факту у моего экземпляра опорная частота 24.999 759.2  Гц )

    Ответ: скорректировать опорную частоту не возможно, так как применяется TCXO, а не VC-TCXO. Вход TCXO позволяет не откорректировать частоту, а запретить выход опорного сигнала.  При необходимости иметь на выходе синтезатора точную установленную на дисплее частоту следует применять внешний опорный генератор. 

  • не ясно что такое «Work mode A/B» в интерфейсе управления?

    Ответ: В описании по этому поводу сказано следующее » The working mode can be modified. In mode «A», each startup is in the silent mode, and the parameters need to be manually adjusted to open the output. In mode «B», each startup directly executes the last set working state without additional operation. Press “Enter ”to save the data and return to the main interface.» 

    К сожалению мне не удалось увидеть никаких различий при переключении из режима «А» в режим «В» и обратно.

  • как управлять через USB интерфейс и каким ПО ?

    Ответ: смотри файлы ниже — «Утилита управления синтезатором», «Последовательный протокол управления синтезатором», «Драйвер CH341».

Обновление от 19.10.22
Дополнительная техническая информация, полученная от продавца:

Ссылки:

Микросхема синтезатора частоты MAX2870 

Микросхема микроконтроллера STM32F072

Карен, RA3APW

Дата изменений на странице: 24.10.2022