Kezdők sarka: miért jó a TCXO?

2017. december 26. kedd
Mozaik | Szerk: HA8LHT

Mi az a TCXO és miért szokták opcióként rádióba pakolni őket? Egyes rigekbe panelként tehető, más készülékek külön betűjelet is kaptak eme apró kiegészítőnek köszönhetően. De mire való a néha nem is oly olcsó kis kiegészítő?

Ebben a sorozatban alapvető kérdésekre keressük a választ. Nem szigorú szakma, inkább csak magyarázó elbeszélés következik, ezért haladók vagy gyenge idegzetűek számára célszerű itt befejezni az olvasást HI.

Leegyszerűsítve a TCXO egy nagyon nagy stabilitású oszcillátor, ami a helyére illesztve átveszi valamely frekvencia előállításáért felelős kvarc feladatát. A passzív kristályok frekvenciája, frekvenciamenete ugyanis hőmérséklet hatására kvázi jelentősen változik, vagy eleve nem is olyan pontos, mint szeretnénk. Ez a változás vagy eltérés bizony elég jelentős is lehet, a néhány kilohertz pedig a rádió üzemi frekvenciájára van kihatással.

Kevésbé vesszük ezt észre valamely fónia üzemmódban, mint inkább a keskeny sávú digitális átvitel területén. A jelenséggel a gyakorlatban több területen is találkozni. Nem ritka, hogy a PSK QSO során is néhányszor 10 vagy akár 100Hz-et is elmászik a készülék, vagy az RTL SDR-ünk nincs pontosan frekvencián. Az előző a melegedő alkatrészek paramétereinek változásai, míg az utóbbi a használt – jellemzően 28,800 MHz-es kvarc pontatlansága miatt történik.

Mindkettőre megoldást jelent a TCXO, azaz a hőkompenzált kristályoszcillátor (Temperature Compensated Crystall Oszillator) alkalmazása. Az aprócska modul úgy állít elő csillapítatlan rezgést a rádió számára, hogy nagy pontossága mellett a környezeti hőmérséklet változása okozta frekvencialetolódást is képes korrigálni a stabilitás érdekben.

Ennek megoldása általában egy apró félvezető, mely a frekvenciamenetet nagyobb mértékben meghatározó más alkatrész számára a hőmérséklet függvényében állít elő referenciafeszültséget, ami ezzel a frekvenciamenetbe beavatkozva kompenzálhatja a változást. Magyarul minél magasabb lesz az oszcillátor frekvenciáját eltoló hőmérséklet, annál magasabb (vagy alacsonyabb) feszültséget állítunk elő mondjuk egy varikapnak, ami így pont annyira változtatja a kapacitását, hogy a frekvencia ezáltal kompenzálva legyen, az eredeti értékhez képest viszonylag állandó maradjon.

A TCXO-nkat megvehetjük Kínából is. A jellemzően 15-20 dollárba – négy vagy ötezer forintba – kerülő modul nyilván nem hozza a gyárival szemben támasztott elvárásokat, ám kétségtelenül jobban járunk vele, mint nélküle.

 

Legalább ennyit a pontosságról

A kvarcok frekvenciája nem pontos. Általában annyira megbízhatóak, ahány tizedesjelig rá van írva. Ennél nagyobb pontosságra nem törekednek a gyártók sem, mert a fizika úgyis közbeszól: a legkülönfélébb okok miatt bekövetkező melegedésre változik a rezgőkristály mérete, alakja, így a frekvenciája, ami miatt felesleges is lenne a gyárban jelen lévő körülmények között pontosabb frekvenciára csiszolni. Példaként említve találni 4,1943 MHz-es és 4.194304 MHz-es kvarcot is.

A kristályok tulajdonságait böngészve láthatunk egy értéket, amit ppm-ként tüntetnek fel. Ez nem egy klasszikus értelemben vett mértékegység, hanem a stabilitásra utal. Míg kvarcok esetében jellemzően 30-50, legjobb esetben pedig 10 ppm, a nagy stabilitású oszcillátorok családjába tartozó hőkompenzált oszcillátor esetében 2,5…0,5 ppm-ről, vagy akár 0,05-ről is beszélhetünk.

A ppm gyakorlatilag arra utal, mekkora értékek között elfogadható az adott kvarc vagy rezgéskeltő modul frekvenciája. A betűszó a parts per million jelentésből állt össze, ami gyakorlatilag ezred ezrelék, azaz milliomod értéket jelent. 1 ppm tehát 0,0001%.

Ha ezt eltérésnek vesszük – márpedig a pontosság nem mást jelent – akkor könnyen beláthatjuk, hogy minél magasabb frekvenciáról beszélünk, annál nagyobb az a bizonyos milliomod rész.

Ha maradunk a korábbi példánál, amikor egy RTL SDR-t említettem, fontos megjegyezni, hogy a szoftver kivétel nélkül minden esetben ajánl egy lehetőséget, amivel utánállíthatjuk a frekvenciát. Egy USB-s dongléra szerelt 28,800 MHz-es kvarc ugyanis – főleg Kínából – nem a legpontosabb szerzemény, nem ritka a 100 ppm eltérés sem.

Megjegyezném, hogy ez nem azt jelenti hogy vackot vettünk, ugyanis a kvarcok esetében még a 200 ppm is választható mérték. Viszont ha egy Tetra vagy DMR 25 kHz széles jel feldolgozását nézünk, tökéletesen ellehetetleníti a frekvenciára állt munkát a jellemzően 1-2 kHz-es eltérés, amit egy 70-80, egyébként korrigálandó differenciál jelent. A vevő frekvenciáját a ppm gombocskával egyébként célszerű egy olyan keskeny adóhoz igazítani, aminek pontosan ismert a frekvenciája – ez lehet mondjuk egy átjátszó. Ne ijedjünk meg, ha a százat is közelíteni kell, ezt követően viszont már valóban az a freki lesz a kijelzőn, amit veszünk, ugyanis itt nem egy elmászott alapról, hanem egy pontatlan kvarcról volt szó.

Számoljunk. Adott egy 14 MHz-es kvarc a maga 50 ppm-jével. Ekkor (14 x 0,999950 és 14 x 1,000050) 13,999300 és 14,000700 MHz között bárhol találhatjuk a kristályunkat. Meg kell említeni, hogy a kvarcok és oszcillátorok stabilitása meghatározza ugyan, de nem azonos a rádiók frekvenciastabilitásával, ugyanis jellemzően valamely keverési frekvenciát befolyásolják csak számos más komponens mellett (értő olvasás – a második bekezdésben már utaltam rá).

Ha TCXO-t teszünk a dongléba (szinte mindegyiknél ott a lehetőség), azon túl, hogy korrekció nélkül is elvárható a pontos frekvencia, nyilván a stabilitása is magasabb.

Egy QRSS WSPR munka például tökéletesen elképzelhetetlen kompenzált oszcillátor nélkül: több órás üzem egy 100 Hz-et driftelő kvarcoszcillátorral több más adó rajzát szelheti keresztül, amiért nyilvános kivégzés jár. Vétel oldalon kicsit jobb a helyzet, ott az összes adó egyszerre fog hullámozni.