Предыдущая статья

Часть 1. Блоки УКВ аппаратов. Статья 7. Блоки задающих генераторов.

Рассмотрение блоков радиопередатчика начинаем с блока задающего генератора, который является «сердцем» этого радиоаппарата.
В статье 5, напечатанной в одном из предыдущих номеров этого журнала, достаточно подробно рассмотрены принципы построения схем различных типов генераторов, но при этом делался упор на то, что эти генераторы должны работать в качестве гетеродинов (именно первых гетеродинов) УКВ радиоприемников. В той же статье также приводились некоторые математические формулы, позволяющие выполнить простейший расчет элементов схемы генератора.

В этой же статье мною будут приводиться только те сведения, которые являются специфическими именно для задающих генераторов, работающих в составе УКВ передатчиков. Очень подробно тема задающих генераторов освещена в книге В. Полякова Л.1. Настоятельно советую прочитать.
По качеству излучаемого в эфир сигнала обычно корреспонденты судят и об умении и о способностях владельца радиостанции. Следует помнить, что качество сигнала во многом определяется задающим генератором передатчика.

Основное требование, предъявляемое к задающему генератору, это высокая стабильность частоты.

Уход частоты за время проведения самой долгой связи не должен превосходить 50...200 Гц, лишь в этом случае корреспондент не будет вынужден подстраивать приемник. Относительная нестабильность частоты при таком уходе должна быть не хуже от 5 x 10^-5 до 3 x 10^-6.

Если первую цифру получить сравнительно несложно, то вторую - можно лишь при тщательном выборе схемы, проектировании удобного расположения элементов и аккуратном изготовлении генератора.
Кроме того, следует учитывать задачи, которые будет выполнять разрабатываемый вами передатчик. Если передатчик разрабатывается только для работы микрофоном с частотной модуляцией, то требования могут быть не очень жесткими. Другое дело, если передатчик предназначается для работы цифровыми видами связи в сети, тогда требования должны быть самыми жесткими.

Другое, не менее важное требование состоит в отсутствии модуляции сигнала генератора шумом, фоном, изменениями напряжения питания и т.д.

Посмотрим, как удовлетворить поставленным требованиям. Любой генератор содержит колебательную систему и активный элемент, служащий для усиления мощности сигнала, снимаемого с колебательной системы. Усиленный сигнал через цепь обратной связи подается снова в колебательную систему, компенсируя ее потери. Они обратно пропорциональны добротности колебательной системы. Наивысшую добротность имеют кварцевые резонаторы, кроме того, параметры кварца мало зависят от температуры. Поэтому кварцевые генераторы могут иметь относительную нестабильность частоты до 10^-7 (10 в минус седьмой степени).

Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания, усиленные активным элементом, подводились к контуру синфазно с его собственными. Следовательно, общий фазовый сдвиг по петле обратной связи должен составлять 0°.
Любой транзисторный усилитель вносит некоторую задержку усиливаемого сигнала из-за конечного времени прохождения носителей тока, влияния паразитных емкостей и т.д. Это приводит к запаздыванию по фазе сигнала обратной связи. Оно тем меньше, чем больше отношение граничной частоты транзистора к генерируемой частоте. Поэтому в задающих генераторах следует применять транзисторы с граничной частотой, по крайней мере, в 10...20 раз выше генерируемой. Оставшийся фазовый сдвиг компенсируется контуром.

В реальном генераторе колебания происходят не на собственной частоте контура, а на той, где, его фазовый сдвиг противоположен и равен сдвигу фазы в активном элементе и цепях связи. При этом имеющееся частотное отклонение тем меньше, чем круче фазовая характеристика контура, а следовательно, и больше его добротность.

Таким образом, существенного улучшения стабильности частоты можно добиться, применив контур высокой добротности и высокочастотный транзистор, как можно слабее связанный с контуром.

Остается еще собственная нестабильность резонансной частоты контура. Она вызвана изменениями температуры и механическими перемещениями элементов контура относительно друг друга. Изменение индуктивности и емкости при нагреве на 1 °С характеризуются температурными коэффициентами и индуктивности и емкости (МКИ и МКЕ). В правильно спроектированном генераторе температурные изменения индуктивности и емкости должны быть равны и противоположны по знаку - в этом и состоит принцип температурной компенсации.

ТКИ всех катушек, как правило, положителен, что объясняется увеличением их геометрических размеров при нагреве. Наименьший ТКИ у катушек с керамическими каркасами, изготовленных методом вжигания проводящих витков. Небольшой ТКИ и у катушек, намотанных на керамических каркасах с большим натяжением провода. Отрицательный ТКЕ обладают керамические конденсаторы с красным (-700 x 10^-6) и голубым (-50 x 10^-6) цветом окраски.

Обычно в контур включают основной конденсатор с небольшим ТКЕ (серый или голубой) и термокомпенсирующий конденсатор меньшей емкости с большим отрицательным ТКЕ (красный). Подбирая соотношения их емкостей, добиваются примерного постоянства резонансной частоты контура при нагреве. Колебательный контур генератора желательно поместить в закрытую металлическую коробку-экран. В особо важных случаях контур или даже весь задающий генератор помещают в термостат.

Для возбуждения колебаний в контуре надо выполнить два условия: баланс амплитуд и баланс фаз.
Условие баланса амплитуд требует, чтобы энергия, подводимая к контуру от активного элемента, в точности равнялась потерям энергии в самом контуре и цепях связи с другими элементами генератора.

При более слабой обратной связи колебания затухают и генерация прекращается, а при более сильной - амплитуда колебаний растет и активный элемент (обычно транзистор) либо входит в насыщение, либо закрывается напряжением, вырабатываемым цепью стабилизации амплитуды. В обоих случаях усиление уменьшается, восстанавливая баланс амплитуд.

Связь контура с остальными элементами схемы генератора выгодно делать слабой, чтобы возможные нестабильности этих элементов меньше влияли на частоту колебаний. Вносимые цепями связи потери в контур получаются малыми, а его нагруженная добротность - максимально высокой.
Монтаж генератора является исключительно ответственной операцией и его следует выполнять жестким одножильным проводом, соединительные проводники должны быть по возможности короткими.

Не следует выбирать контур с малой индуктивностью и большой емкостью - это не способствует повышению добротности и увеличивает влияние паразитной индуктивности выводов катушки и конденсаторов. Механическая конструкция генератора должна полностью исключать возможность хотя бы малого перемещения его деталей относительно друг друга. Переменный конденсатор надо выбирать наилучшего качества или, в обоснованных случаях, вообще отказаться от него, применив электронную настойку.

Умножители частоты
Для работы любительских радиостанций на высокочастотных участках УКВ и СВЧ диапазонов гетеродины приемников и передатчиков становятся многокаскадными. Задающий генератор, который является первым каскадом гетеродина, обычно работает на довольно низкой частоте. Делается это по разным причинам.

• На низких частотах проще подобрать необходимый кварцевый резонатор или создать более благоприятные условия для стабилизации частоты в генераторах с параметрической стабилизацией.

• На низких частотах легче организовывать управление частотой генератора.

• Отсутствие у радиолюбителей высокочастотных кварцевых резонаторов.

Многокаскадный гетеродин состоит из генератора и последующих нескольких каскадов умножения частоты до необходимой рабочей величины. Так, например, если нам необходимо для KB радиоприемника, имеющего любительский диапазон 21 МГц разработать конвертер для приема сигналов в диапазоне 145 МГц, - нужно создать гетеродин с рабочей частотой 123 МГц.

Получить такую рабочую частоту можно несколькими способами, с использованием самых разнообразных кварцевых резонаторов. Одним из вариантов может быть применение КР на частоту 13,66 МГц. В этом случае собственно генератор должен генерировать частоту 13,66 МГц, а следующие два каскада должны выполнить умножение этой частоты в 9 раз, т.е. каждый из каскадов должен умножать частоту на 3, или, как говорят, каждый из этих каскадов должен работать в режиме утроителя частоты. Как правило, умножительные каскады в большее число раз в любительской практике используются редко.

Схемы простых умножителей частоты
Фактически умножитель частоты не является каким-то необычным, специальным каскадом, а представляет собой обычный усилительный каскад высокой частоты. На рис. 7.1 приведены две схемы простых умножителей частоты.



Схема на рис. 7.1 «а» представляет собой обычный каскад УВЧ. Резисторами R1, R2 и R3 устанавливается режим работы транзистора VT1. Контур L1C3 должен быть настроен на частоту нужной гармоники электромагнитных колебаний, поступающих на этот каскад через С1 от каскада предыдущего. Выделенный в контуре L1C3 сигнал нужной частоты подается к следующему каскаду через конденсатор С5. Резистор R4 и конденсатор С2 предотвращают попадание ВЧ энергии в цепи питания (являются блокировочными элементами).

Схема на рис. 7.1 «б» уже имеет значительные отличия от предыдущей схемы. Главное отличие в том, что транзистор VT1 в этой схеме работает в ключевом режиме, т.е. ток через транзистор протекает только во время прохождения через базу транзистора импульса положительного полупериода колебаний, которые поступают через С1. Контур L1C3 является параллельной нагрузкой, настроенной на частоту нужной гармоники. Выделенный в этом контуре сигнал нужной частота подается к следующему каскаду через С4.

Схемы двухтактных удвоителей
Требование о необходимости содержания в сигнале гетеродина минимальных шумов, которые зависят от наличия в сигнале большого числа гармоник, поставило задачу уменьшить число этих гармоник.

Выполнить поставленную задачу удается с помощью специальных двухтранзисторных умножителей, в которых эти два транзистора включены по двухтактной схеме. На рис. 7.2. приведена принципиальная схема двухтактного удвоителя частоты.



Транзисторы на схеме рис. 7.2 включены по так называемой двухтактной схеме. Дело в том, что на базы этих транзисторов поступают противофазные сигналы и в течение одного из полупериодов поступающего сигнала работает транзистор VT1, а в течение второго полупериода работает транзистор VT2. Поскольку эти два транзистора работают на общую для них нагрузку, то в этой нагрузке, за один период частоты поступающего на каскад сигнала, возникают два периода уже новой, удвоенной частоты.

Если поступающий на такой каскад сигнал достаточно сильный, то точно таким же образом на выходе можно выделить и четвертую гармонику поступающего на вход сигнала.
Как вы уже заметили, двухтактный удвоительный каскад выделяет в своей нагрузке только четные гармоники. Все нечетные гармоники подавляются и в последующем сигнале уже не присутствуют.

Сигнал, который должен быть удвоен, выделяется в контуре L1C. Поверх катушки L1 наматывается катушка L2, выполнeнная из двух отдельных проводов. Делается катушка L2 следующим образом. Нужно отмерить и отрезать два одинаковых куска изолированного тонкого провода, длина которых должна быть достаточной для намотки поверх катушки L1 3...5 витков, из которых будет состоять катушка L2. Затем два конца обоих проводов зажимаются и эти два провода свиваются в единый жгут.

После намотки катушки L2 получившимся жгутом и закреплении её витков, начало одного из проводов соединяется с концом другого провода. Таким путем образуется средняя точка катушки L2, которая соединяется с корпусом (заземляется). Оставшиеся конец первого провода и начало провода второго подключаются, через конденсаторы С1 и С2, к базам транзисторов VT1 и VT2.

Таким путем организуется противофазная подача сигналов к базам VT1 и VT2.

На рис. 7.3 приведена принципиальная схема второго варианта двухтактного удвоителя частоты.



Схема этого варианта несколько проще и содержит меньшее количество деталей, но работает так же эффективно. Как вы уже заметили, нагрузка удвоительного каскада, роль которой выполняет контур L3C3, включена в этом варианте последовательно. В таком случае нужно всегда помнить, что выходные емкости транзисторов складывается и отвод для подключения катушки должен располагаться ближе к заземленному по ВЧ концу катушки.
Ток через транзисторы, и вместе с ним, усиление удвоенного сигнала регулируется подбором величины сопротивления R1. Емкость С1 обычно берется в пределах 120...200 пФ.

Умножители нечетных гармоник
Если двухтактную схему умножителя частоты несколько преобразовать, она станет служить умножителем нечетных гармоник и подавлять гармоники четные. На рис. 7.4 приведена схема двухтактного утроителя частоты.



Основное отличие схемы этого умножителя состоит в том, что в цепях коллекторов и одного и другого транзисторов (VT1 и VT2) располагаются по одному контуру (L3 и L4), настроен ному на нужную гармонику. Каждый из этих контуров настраивается своим собственным подстроечным конденсатором (СЗ и С4). В точке повода питания обязательно должен находиться блокировочный конденсатор С5. В остальном это обычный двухтактный умножитель.

На рис. 7.5 показана схема еще одного двухтактного утроителя.



В этой схеме в цепи и одного и другого транзистора располагается один контур L3C3. Питание подается в отвод от средней точки катушки L3 обязательно через ВЧ дроссель Др1.

Умножитель частоты с ФАПЧ
Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) - это весьма важный и полезный узел, выпускаемый в виде отдельной интегральной схемы многими фирмами - изготовителями.
ФАПЧ содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН), и представляет собой сочетание в одном корпусе аналоговой и цифровой техники. ФАПЧ применяется для тонального декодирования, демодуляции AM- и ЧМ-сигналов, умножения частот, частотного синтеза и во многих других случаях.

Уже с давнего времени ФАПЧ перестала быть уделом профессионалов. С появлением на рынке микросхем ФАПЧ радиолюбители все больше начинают использовать эти устройства в своих конструкциях.

Практическое применение ФАПЧ становится среди радиолюбителей - конструкторов модой и в любое радиотехническое изделие пытаются встроить ФАПЧ, хотя в некоторых случаях получается в результате ухудшение характеристик. Дело в том, что ФАПЧ шумит. Одни микросхемы ФАПЧ шумят меньше, другие - больше, но все равно шумят, потому что возможности создания шума заложены в саму основу ФАПЧ.

Попробуем разобраться в основах работы ФАПЧ. На рис. 7.6 показана классическая блок-схема ФАПЧ.



Основные компоненты ФАПЧ: фазовый детектор, НЧ - фильтр, усилитель сигнала и ГУН (Генератор Управляемый Напряжением). При совместной работе эти компоненты создают так называемый «контур регулирования ФАПЧ».

Фазовый детектор - устройство, которое осуществляет сравнение двух входных частот (одна из которых эталонная) и формирует выходной сигнал, пропорциональный их фазовой разности (если, например, частоты различаются, то на выходе появится периодический сигнал на разностной частоте). Если fвx не равна fгун, то на выходе фазового детектора появляется сигнал.

Этот сигнал поступает на НЧ-фильтр, а затем и на усилитель. Отфильтрованный и усиленный сигнал фазовой ошибки будет воздействовать на частоту ГУН, изменяя ее в направлении fвх. При нормальных условиях ГУН быстро производит «захват» частоты fвх, поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.
Если ФАПЧ используется как умножитель частоты, то между выходом ГУН и фазовым детектором включают делитель частоты на величину n, обеспечивая, таким образом, умножение входной эталонной частоты fвх на величину n.

Самым простым фазовым детектором является цифровой детектор, предстaвляющий собой элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, схематическое изображение которого показано на рис. 7.7 «б». На рис. 7.7 «а» схематично показано как образуется сигнал на выходе ФД. На рис. 7.7 «в» показана зависимость выходного напряжения от разности фаз при использовании фильтра низких частот и прямоугольного входного колебания со скважностью 50%.



Фазовый детектор, построенный на элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, всегда генерирует выходное колебание, которое в дальнейшем должно фильтроваться с помощью фильтра контура регулирования. Таким образом, ФАПЧ с фазовым детектором такого типа содержит контурный фильтр, работающий как фильтр нижних частот, сглаживающий логический выходной сигнал. В таком контуре всегда присутствует некоторая остаточная пульсация и, следовательно, периодические фазовые изменения. В тех схемах, где ФАПЧ используется для умножения или синтеза частот, к выходному сигналу добавляются еще и «боковые полосы фазовой модуляции». Фазовые изменения и фазовая модуляция вызывают явление, которое мы называем шумом генератора.

Фильтр НЧ состоит, как правило, из R и С элементов. В зависимости от числа элементов и выполняемых функций, фильтры могут быть первого или второго порядка. Часто используются различные схемы активных НЧ фильтров на транзисторах или операционных усилителях. Положительным свойством таких фильтров является то, что активные фильтры почти не вносят ослабления сигнала.

Усилитель
В качестве усилителя можно использовать операционный усилитель типа К140УД7 или другой. Или транзисторные дифференциальные усилители различной сложности.

Генератор, управляемый напряжением является важным компонентом ФАПЧ. Его частотой можно управлять, используя выходной сигнал фазового детектора. Некоторые ИМС ФАПЧ содержат ГУН (например, 564ГГ1). В принципе, в качестве ГУН годится любой генератор, частотой которого можно управлять посредством варикапа. Зависимость частоты ГУН от управляющего напряжения, используемого в ФАПЧ, может не обладать высокой линейностью, однако в случае большой нелинейности коэффициент усиления в контуре регулирования будет изменяться в соответствии с частотой сигнала и придется обеспечивать больший запас устойчивости.

Особенность проектирования ФАПЧ
Фазовый детектор вырабатывает сигнал ошибки, соответствующий фазовому рассогласованию между входным и опорным сигналами. Частотой ГУН можно управлять, подавая на его вход соответствующее напряжение. Казалось бы, здесь можно поступить так же, как и в любом другом усилителе с обратной связью, вводя контур регулирования с некоторым коэффициентом передачи. Однако имеется одно существенное отличие. В усилителе с обратной связью регулируемая с помощью обратной связи величина совпадает с величиной, измеряемой с целью формирования сигнала ошибки или была по крайней мере ей пропорциональна.

В системах ФАПЧ осуществляется интегрирование. Мы измеряем фазу, а регулируем частоту, но фаза является интегралом от частоты. За счет этого в контуре регулирования появляется фазовый сдвиг 90°.

Такой интегратор, включенный в контур обратной связи, существенным образом влияет на работу схемы - дополнительное запаздывание по фазе на 90° на частотах, где коэффициент усиления равен единице, вызывает самовозбуждение. Простое решение заключается в том, чтобы не включать в контур компоненты, которые дают дополнительное запаздывание по фазе, по крайней мере на тех частотах, где коэффициент усиления близок к единице. Это – один из подходов и он приводит к тому, что называется «контуром первого порядка» .

Блок-схема с контуром первого порядка в этом случае выглядит точно так же, как ранее приведенная блок-схема ФАПЧ (рис. 7.6), но без фильтра нижних частот.
Хотя контуры первого порядка во многих ситуациях очень удобны, они не обладают необходимыми свойствами накопителя энергии, которые позволяют генератору, управляемому напряжением, сглаживать помехи и флуктуации входного сигнала. Более того, контур первого порядка не сохраняет постоянным фазовое соотношение между опорным сигналом и сигналом ГУН, так как выход фазового детектора непосредственно управляет ГУН.

В «контур второго порядка» вводится дополнительная фильтрация на низкой частоте с целью предотвращения неустойчивости. Такой контур обладает свойством накопителя энергии («маховика») и, кроме того, уменьшает «диапазон захвата» и увеличивает время захвата.

Практически во всех системах применяют контуры второго порядка, поскольку в большинстве применений система ФАПЧ должна обеспечивать малые флуктуации базы выходного сигнала, а также обладать некоторыми свойствами памяти или «маховика». Контуры второго порядка могут иметь высокий коэффициент передачи на низких частотах, что обеспечивает повышенную устойчивость (по аналогии с достоинствами высокого коэффициента усиления в усилителях с обратной связью).

Разработка умножителя частоты с ФАПЧ
Формирование частоты, кратной фиксированной входной частоте, является одним из наиболее распространенных применений ФАПЧ. В частотных синтезаторах частота выходного сигнала формируется за счет умножения частоты, стабилизированной кварцевым резонатором, на число n, число n можно задавать в цифровом виде, т.е. можно получить гибкий источник сигналов, которым можно управлять даже с помощью компьютера или простого контроллера.

В данном примере попытаемся использовать ФАПЧ чтобы получить довольно высокую частоту диапазона ДМВ, стабилизированную низкочастотным кварцевым резонатором. Итак, имеем кварцевый резонатор на частоту 6,8 МГц, микросхему КР193ИЕ6 (делитель на 64, работает на частотах до 1000 МГц), а также микросхему КР1564ЛП5, которую будем использовать в качестве фазового детектора.

Начнем со стандартной схемы ФАПЧ, в которой между выходом ГУН и фазовым детектором включен счетчик-делитель на n (рис. 7.8).



На этой схеме для каждого функционального блока указан коэффициент передачи. При расчете контура ФАПЧ эти коэффициенты используются для проведения расчетов по устойчивости. Имеются специальные формулы для расчета каждого из коэффициентов передачи. Общий коэффициент передачи контура ФАПЧ будет равен произведению коэффициентов передачи всех функциональных блоков контура.

По результатам расчета величины общего коэффициента судят об устойчивой работе данной схемы контура. Наибольшие трудности в этих расчетах приходятся на долю расчета элементов НЧ фильтра. Большинству радиолюбителей, не имеющих возможности заняться расчетом устойчивости, приходится подбирать компоненты фильтра до тех пор, пока контур не заработает. Попробуем рассмотреть назначения элементов фильтра. На рис. 7.9 приведена одна из возможных схем фильтра НЧ.



Произведение R1xC0 определяет время сглаживания контура, a R0/R1 - демпфирование, т.е. отсутствие перегрузки в скачкообразном изменении частоты. Подбор величин можно начинать с R0 = 0,2 R1. На рис. 7.9 «б» приведена схема с дополнительным конденсатором С1. Один из возможных вариантов этого фильтра может иметь следующие данные: R1 = 10k, R0 = 10k, С0 = 1000 и С1 = 0,033мк.

Рассмотрим принципиальную схему умножителя частоты с ФАПЧ, в которой имеется кварцевый резонатор на частоту 6,8 МГц, микросхема КР193ИЕ6 (делитель на 64, работает на частотах до 1000 МГц), а также микросхема КР1564ЛП5, которую будем использовать в качестве фазового детектора. На рис. 7.10 приведена одна из возможных принципиальных электри­ческих схем умножителя частоты на 64 с применением ФАПЧ, в которой задействованы перечисленные выше компоненты.



Эта схема не является отработанной и приведена мною чисто в целях иллюстрации возможного варианта умножителя с применением ФАПЧ.
Фазовый детектор выполнен на МС DD1 74НС86 (564ЛП5). На элементе этой микросхемы DD1.1 выполнен генератор с кварцевым резонатором Z1. На элемент DD1.3, который работает в режиме повторителя, поступает сигнал с МС делителя частоты ГУН.

Разностный сигнал выявляется на элементе DD1. 2 и подается на активный НЧ фильтр, выполненный на транзисторах VT1 и VT2. R10 и С6 являются дополнительными элементами НЧ фильтра. На варикап VD1 разностный сигнал поступает через R10. ГУН выполнен на транзисторе VT3, а на VT4 собран буфер - усилитель частоты ГУН. С VT4 сигнал подается через С14 на выход, а через фильтр ВЧ С13Др1С15 на делитель частоты ГУН, выполненный на DD2. С выхода делителя частоты сигнал подается на фазовый детектор через конденсатор С16.

О процессе захвата. Для выполнения процесса «захвата» частоты необходимым условием является достаточное напряжение сигнала рассогласования после НЧ фильтра. Всегда следует помнить, что НЧ фильтр на LC элементах вносит большое ослабление сигнала. Контур первого порядка всегда будет синхронизироваться, поскольку там отсутствует ослабление сигнала рассогласования на низкой частоте. Синхронизация контура второго порядка зависит от типа фазового детектора и полосы пропускания фильтра нижних частот. Кроме того, фазовый детектор по схеме ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ имеет ограниченный диапазон захвата, зависящий от постоянной времени фильтра.

Процесс захвата происходит следующим образом: когда сигнал фазового рассогласования приближает частоту ГУН к опорной частоте, его изменения становятся более медленными и наоборот. Сигнал рассогласования поэтому является асимметричным и меняется более медленно в той части цикла, в течение которой fгун ближе подходит к fоп . В результате появляется ненулевая средняя компонента, т.е. постоянная компонента, которая и вводит ФАПЧ в синхронизм. Если графическим путем проанализировать управляющее напряжение ГУН в процессе захвата, то можно получить что-то похожее на сигнал, показанный на рис. 7.11.



Каждый процесс захвата индивидуален и каждый раз он выглядит по-разному.

О полосе захвата и слежения. При использовании фазового детектора по схеме ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ полоса захвата ограничена постоянной времени фильтра нижних частот. В этом есть определенный смысл, так как, если различие по частоте велико, сигнал рассогласования будет ослабляться фильтром настолько, что контур никогда не сможет осуществить захват. Очевидно, что увеличение постоянной времени фильтра уменьшает полосу захвата, так как это приводит к пониженному коэффициенту передачи контура.

Умножитель частоты на МС12179
Фирма MOTOROLA изготавливает серийно микросхему ФАПЧ типа МС12179, которая в своем составе уже имеет следующие компоненты, необходимые для создания полноценного контура ФАПЧ, а именно:

• Все элементы, необходимые для организации работы внешнего генератора с кварцевой стабилизацией частоты;

• Фазовый детектор;

• Делитель частоты на 256, что позволяет использовать эту МС как умножитель частоты до частот 2500 МГц;

• Предусмотрен вход для частоты ГУН и выход сигнала рассогласования к НЧ фильтру.

Обратите внимание, - фильтра НЧ в составе микросхемы нет, его в каждом отдельном случае следует проектировать в соответствии с индивидуальными требованиями к умножителю.



На рис. 7.12 показан схематически контур ФАПЧ с микросхемой МС12179. Кварц Z1 может выбираться в пределах от 5 до 11 МГц, при этом на выходе умножителя можно получить частоты в диапазоне от 2400 до 2800 МГц. Схемы возможных для применения НЧ фильтров показаны на рис. 7.13.



Как сообщил мне в одном из своих писем Александр Пожарский (RK3DTI), которому я исключительно благодарен за ряд ценной информации, умножитель частоты с ФАПЧ на МС12179 создает шумы во много раз меньшие, чем умножитель по описанной выше схеме с отдельным делителем частоты.

Синтезатор частоты на LM7001
В журнале «Радио» №4 за 2003 бала опубликована статья Алексея Темерева (UR5VUL) «УКВ синтезатор частот». Описанная в этой статье схема синтезатора частоты для диапазона 145МГц выполнена на микросхеме LM7001J, используемой различными фирмами в бытовых радиоприемниках.

Синтезатор предназначен для работы в приемопередающих устройствах ЧМ с промежуточной частотой 10,7 МГц. Он обеспечивает формирование сигнала с частотой 133,3...135,3 МГц в режиме приема и 144...146 МГц в режиме передачи с шагом сетки частот 25 кГц. В нем также предусмотрена возможность сканирования в режиме приема во всем диапазоне рабочих частот.

Синтезатор имеет энергонезависимую память на три пользовательские частоты. В нем также «зашиты» 9 репитерных каналов (R0...R8). В режиме передачи в синтезаторе осуществляется частотная модуляция ВЧ сигнала. Питают синтезатор напряжением 8...15 В. Ток потребления - не более 50 мА. Уровень ВЧ сигнала на его выходе при нагрузке 50 Ом составляет не менее 0,1 В. Эта очень интересная конструкция должна заинтересовать многих радиолюбителей.

Далее привожу очень краткое описание МС LM7001J. Более подробное описание смотрите в журнале «Радио» №4 за 2003 год или в Интернете на сайте по адресу www.promelec.ru.



Микросхемы LM7001J и LM7001JM предназначены для построения частотных синтезаторов с системой ФАПЧ, применяемых в бытовых радиоприемных устройствах. Обе микросхемы идентичны по схеме и параметрам и отличаются лишь конструкцией корпуса - у LM7001J корпус DIP16 для обычного монтажа, у LM7001JM - MFP20 для поверхностного монтажа (обе микросхемы пластмассовые). Назначение выводов микросхем представлена в табл. 7.1.



Выводы Xout и Xin - выход и вход усилителя сигнала образцовой частоты; к этим выводам подключают кварцевый резонатор. Вывод СЕ - вход сигнала разрешения записывания. CL - вход тактовых импульсов записывания. Data -информационный вход. SC - Syncro Control - выход контрольной частоты 400 кГц. BSout1 -BSout3 - band switching - выходы управления внешними устройствами (выход BSout1, кроме этого, - выход сигнала частоты 8 Гц); с помощью этих сигналов выполняется коммутация диапазонов Amin и Fmin - входы программируемого делителя частоты, иначе говоря, входы сигналов AM и ЧМ. Pd1 и Pd2 - выходы частотно-фазового детектора в режимах FM и AM соответственно.

Функциональная схема прибора изображена на рис. 7.14.



Управляющая последовательность битов, поступающая на приемный сдвиговый регистр, определяет значение шага частотной сетки синтезатора, коэффициент деления программируемого делителя частоты, режим его работы и состояние выходов BSout1...BSout3.

Выходной сигнал генератора, управляемого напряжения (ГУН), поступает на один из входов - Аmin или Fmin. Неиспользуемый вход блокируется во избежание паразитных наводок. Делители частоты уменьшают частоту сигналов образцового генератора и входного сигнала в необходимое число раз - до значения частотного шага сетки. Фазовый детектор сравнивает оба сигнала и формирует сигнал ошибки, уровень которого пропорционален разности фаз между ними. Сигнал ошибки снимают с выходов Pd1 и Pd2 в зависимости от выбранного режима работы микросхемы.

Микросхема может работать с семью стандартными значениями шага частотной сетки - 1, 5, 9, 10, 25, 50 или 100 кГц (при частоте образцового генератора 7200 кГц). Введение управляющей последовательности битов происходит последовательно, начиная с младшего бита коэффициента деления частоты программируемого делителя, который может работать в двух режимах - AM и FM.

Устройства для управления частотой ЗГ
Схема электронной настройки
Перестройка частоты задающего генератора с параметрической стабилизацией частоты обычно выполняется при помощи конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком. Иногда применяется перестройка частоты изменением индуктивности контурной катушки ЗГ. Очень удобно перестраивать частоту задающих генераторов электронным способом - с помощью варикапа или, что лучше, варикапной матрицы. Одна из самых распространенных схем электронной перестройки показана на рис. 7.15.



В качестве матрицы здесь используются два отдельных варикапа, включенные навстречу друг другу. В итоге схема двух соединенных подобным образом варикапов эквивалентна схеме варикапной матрицы. Благодаря встречному включению варикапов для переменного тока уменьшается зависимость частоты от амплитуды высокочастотного напряжения.

Если используется именно варикапная матрица, то параметры контура для неё несложно рассчитать. Например, у матрицы КВС111Б емкость изменяется от 20 до 40 пФ при изменении смещения от +9 до +2 В. Изменение емкости составляет 20 пФ. Если перекрытие по частоте должно быть, скажем, 6%, то необходимое изменение емкости составит 12 % (вдвое больше, так как индуктивность контура не изменяется). Отсюда находим полную емкость контура С = 20 пФ/0,12 = 167 пФ. Индуктивность контура рассчитывается по общеизвестной формуле Томсона: L = 1/ (2nf)^2C.

Чтобы не ухудшилась стабильность частоты, напряжение смещения варикапов должно быть очень хорошо стабилизировано и отфильтровано. Это очень важно.
Для небольшой перестройки контура вместо варикапов можно использовать обычные кремниевые диоды. Но в этом случае диоды должны подбираться под нужную величину перекрытия по частоте. Дело в том, что не у всех однотипных диодов собственная емкость при изменении запирающего напряжения изменяется на одну и ту же величину.

На рис. 7.16 показана схема электронного сдвига частоты, что очень часто используется при переходе с приема на передачу. Например, при приеме генератор должен выдавать частоту 133,3 МГц, а при передаче - 144 МГц.



Варикап в этом случае подключается через конденсатор небольшой емкости, поскольку требуемый сдвиг частоты невелик. В верхнем положении переключателя S1 (передача) на варикап подается фиксированное напряжение смещения с делителя R3R4. При переходе на прием (нижнее положение) смещение изменяется переменным резистором R5, сдвигая частоту. Пределы перестройки можно подобрать, изменяя емкость конденсатора С5 или соотношение сопротивлений делителя R2...R6.

На рис. 7.17 в качестве иллюстрации к теме об электронной перестройке частоты показана действующая схема генератора с одним из возможных вариантов электронной перестройкой частоты.



Электронная перестройка частоты выполняется переменным резистором R4. В качестве варикапов используются диоды VD2 и VD3 типа Д220. Вместо этих диодов можно использовать также диоды многих других типов.

Модуляторы для микрофонов (динамических и угольных)
Модулятор служит для изменения генерируемой генератором высокочастотных сигналов под действием сигналов с более низкой частотой. В результате на выходе генератора получаются, в данном случае, частотно-модулированные электромагнитные колебания.

На рис. 7.18 приведена схема частотного модулирования задающего генератора. В качестве модулятора используется простой предварительный УНЧ с динамическим микрофоном на входе и варикапом на выходе.



На транзисторах VT1 и VT2 выполнен двухкаскадный УНЧ с микрофоном M1 на входе. С выхода УНЧ усиленный сигнал подается на варикап VD1, емкость которого изменяется под воздействием поступающего на него звукового сигнала, в результате чего изменяется емкостная составляющая контура L1C6. Частота настройки контура меняется со звуковой частотой. Генератор выполнен по трехточечной схеме на транзисторе VT3.



На рис. 7.19 приведена схема модулятора, использующая угольный микрофон. Этот частотный модулятор предназначен для работы с задающим генератором УКВ ЧМ передатчика. Резистором R1 подбирается величина тока через микрофон, а переменным резистором R4 устанавливают величину смещения, обеспечивающую качественный сигнал. Конденсатором переменной емкости СЗ и резистором R4 устанавливается оптимальный режим частотной модуляции.

Модулятор для цифровой связи
Некоторые виды цифровой радиосвязи используют для получения необходимой информации НЧ сигналы. Для этого используется специальный аппарат, называемый «модем». Слово «модем» по своему составу является сложным словом и состоит из двух составляющих - слова «модулятор» и «демодулятор».

Модулятор выполняет функцию модуляции цифровым сигналом частоты задающего генератора, а демодулятор выполняет роль своеобразного детектора принимаемых из эфира цифровых сигналов. О демодуляторе рассказывалось в главе 2.
В этом разделе я расскажу о конструкции модулятора, который применяется в разработанной мною конструкции универсального модема MODEM22, предназначенного для цифровых видов радиосвязи.
Описание конструкции и схемы модема MODEM22 можно найти в моей книге «Компьютер на любительской радиостанции» или в Интернете по адресу http://r3xb.by.ru/.

Многочисленные тесты модема MODEM22 и его аналогов показали, что этот модем является на сегодняшний день ЛУЧШИМ среди других любительских разработок, превосходит известные мне любительские модемы, выполненные с применением детекторов на микросхемах 564ГГ1 и 155АГ1, по качеству приема сигналов и по простоте настройки во много раз.

Чтобы уяснить роль модулятора в работе радиостанции цифровой связи следует знать, что при работе цифровыми видами связи в состав радиостанции непременно должен входить компьютер. Именно компьютер выдает на передатчик цифровые сигналы я виде очень коротких токовых и бестоковых посылок. В токовых посылках сигнал характеризуется длительностью посылки и величиной напряжения. В бестоковой посылке присутствует только длительность этой посылки при нулевой величине напряжения.

Чтобы эти компьютерные сигналы могли воздействовать на задающий генератор передатчика необходим модулятор.



На рис. 7.20 представлена блок-схема модема, все детали различных узлов модема рассчитаны на его работу со средней частотой около 2000 Гц. Модем работает на звуковых (аудио) частотах и совмещает в себе две основных составных части — передающую часть (модулятор) и приемную часть (демодулятор).

Модулятор, в свою очередь, включает в себя устройство для включения и выключения передатчика и собственно модулятор — устройство для подачи на варикап задающего генератора радиопередатчика с частотной модуляцией (либо на микрофонный вход SSB передатчика) посылок от тонального генератора (U1).

Демодулятор включает е себя полосовой фильтр на операционных усилителях (U2), специальный частотный детектор (U3) и выходной узел (U4). Предполагается изготовление каждого из узлов модема на отдельной плате, что позволит в дальнейшем безболезненно заменять неудачно выполненные узлы.

Подключение модема к компьютеру должно выполняться через стандартный СОМ порт с интерфейсом RS-232-C. Официальное ограничение по длине для соединения экранированным' кабелем по стандарту RS-232-C составляет 15,2 м. На практике это расстояние должно быть как можно короче. Уровни напряжений на линиях разъема для логического нуля следует считать -12...-3 В, для логической единицы +3...+12 В. Промежуток от -3 до +3 В соответствует неопределенному значению. Каждый СОМ порт имеет свой собственный разъем, который может иметь либо 25 контактов (DB25), либо 9 контактов (DB9).

На блок-схеме слева указаны номера контактов разъема СОМ-порта для вариантов применения DB25 и DB9, справа указаны гнезда приемопередатчика (трансивера), к которым подводится или от которых берется сигнал.

С контакта 4 (7) разъема СОМ-порта (здесь и далее первая цифра относится к разъему с 25 контактами, а цифра в скобках — к разъему с 9 контактами) берется сигнал для управления переключением передатчика прием/передача. Назначение этого контакта в системе RS-232- С — запрос для передачи, наименование — RTS (Request to send).
Далее через VD1 и R1 сигнал поступает на транзисторный переключатель, выполненный на транзисторе VT1. К цепи коллектора этого транзистора подключается катушка от реле "прием/передача", установленного на трансивере. При подаче на базу транзистора VT1 положительного напряжения реле срабатывает и включает трансивер на передачу.

Блок U1 представляет собой тональный генератор, который и является в данном случае модулятором. Сигналы для манипуляции тонального генератора берутся с контакта 20 (4) разъема. Назначение этого контакта — готовность выходных данных — DTR (Data Terminal Ready).
С контакта 20 (4) сигнал через диод VD2 и резистор R7 поступает на базу транзисторного ключа на VT2, к коллектору которого подключается вход электрической цепочки, через которую выпол­няется манипулирование частотой тонального генератора У1.

Далее сигналы манипулируемого тонального генератора подаются на варикап задающего генератора радиопередатчика с частотной модуляцией, либо на микрофонный вход передатчика, работающего в режиме SSB. Генератор при включенном терминале генерирует тон высокой частоты.
Тональный генератор U1, который является модулятором в данной конструкции модема, выполнен по одному из широко известных вариантов. Принципиальная схема тонального генератора представлена на рис. 7.21.



Генератор выполнен на транзисторах VT1 и VT2 типа КТ315Б по схеме с обратной связью через двойной Т-мост, обладает высокой стабильностью и достаточно хорошим качеством сигнала при питании от стабилизированного источника. Конденсаторы CI, С2 и СЗ должны иметь допуск не хуже 10 процентов. На операционном усилителе DA1 типа К140УД6 выполнен полосовой фильтр, улучшающий синусоидальность выходного сигнала.

Для настройки частотомер подключается к точке выхода, регулировкой R10 устанавливается величина нижней частоты, а регулировкой R9 (при замкнутой на землю точки входа "управление") устанавливается величина верхней частоты. Изменением величины резистора R7 можно корректировать качество синусоиды генерируемого сигнала (только при осциллографическом контроле). Резистором R18 добиваются равной амплитуды для сигналов высокой и низкой частоты.

Настройка модулятора
Настройка модулятора чрезвычайно простая. Привожу необходимые этапы настройки.

• Начинать настройку модема следует с выбора величин рабочих частот. При расчетах следует за основу взять характеристики узкополосого НЧ фильтра, установленного на вашем радиоприемнике. Предположим, что радиоприемник имеет узкополосый фильтр с шириной полосы 3000 Гц и пропускает частоты от 1000 до 3000 Гц. В этом случае величина средней частоты будет равна 2000 Гц. Учитывая величину сдвига частот, равную 1000 Гц, определяем, что нижняя частота должна быть 1500 Гц, а верхняя — 2500 Гц.

• Настройка тонального генератора (см. рис. 7.21) выполняется с использованием частотомера. Частотомер подключается к точке выхода генерируемого звукового сигнала. Регулировкой величины сопротивления резистора R10 устанавливается величина нижней частоты (1500 Гц), а регулировкой R9 (при замкнутой на землю точке входа "управ­ление") устанавливается величина верхней частоты (2500 Гц).

Изменением величины резистора R7 можно корректировать качество синусоиды генерируемого сигнала (только при осциллографическом контроле). Резистором R18 добиваются равной амплитуды для сигналов высокой и низкой частоты. Помните, что для RTTY используется разнос частот равный величине 170 Гц, a AMTOR, PACTOR и Packet Radio (300 Бод) работают при разносе частот на величину 200 Гц, Packet Radio (1200 Бод) использует разнос частот 1000 Гц.

Модулятор на МС с ФАПЧ. Схема модема
Модулятор, выполненный на микросхеме типа 561ГГ1 с ФАПЧ, входит в состав модема, блок-схема которого пред­ставлена на рис. 7.22. Все детали различных узлов модема рассчитаны на его работу в режиме Packet Radio со скоростью 300 Бод и со средней звуковой частотой примерно 1000 Гц. Модем работает на звуковых (аудио) частотах и совмещает в себе две основных составных части — передающую часть (модулятор) и приемную часть (демодулятор).



Модулятор включает в себя устройство для включения и выключения передатчика и собственно модулятор - устройство для подачи на вход передатчика посылок от тонального генератора. Собственно генератор обозначен как U1, выходной каскад генератора - U1.1. Демодулятор включает в себя полосовой фильтр на операционных усилителях (U2), специальный частотный детектор (U3) и выходной узел (U4). Схемы, относящиеся к демодулятору, не имеют отношения к нашей теме и рассматриваться не будут.

Тональный генератор
Тональный генератор U1 представлен на рис. 7.23.



Собственно генератор звуковых частот выполнен на микросхеме с ФАПЧ 561ГГ1 (564ГГ1). Резисторами R1 и R2 устанавливаются величины необходимых частот. На микросхеме 561ИР2 выполнен узел, который выполняет функцию формирователя синусоиды. Для целей формирования синусоиды служат резисторы R4, R5, R6, R7.
Для улучшения частотных характеристик генерируемого сигнала к генератору добавлен каскад U1.1 на транзисторе КТ315, который служит фильтром нижних частот и позволяет регулировать величину амплитуды выходного сигнала. Схема этого каскада представлена на рис. 7.24.



Настройка модулятора
Изготовленный модулятор следует тщательно настроить. Настройка выполняется в несколько этапов.

• Начать настройку модулятора следует с выбора величин рабочих частот. За основу при расчетах можно взять характеристики узкополосого (телеграфного) фильтра. Работать предполагается всеми видами цифровой связи. Предположим, что радиоприемник на вашей станции имеет узкополосый фильтр с шириной полосы 300 Гц и пропускает частоты от 1000 до 1300 Гц. В этом случае величина средней частоты будет равна 1150 Гц. Учитывая величину сдвига частот, равную 200 Гц, определяем, что нижняя частота должна быть 1050 Гц, а верхняя — 1250 Гц. Для варианта спутниковой связи нижняя частота должна быть примерно 1500 Гц, а верхняя - 2500 Гц, при разносе частот 1000 Гц.

• Далее проводим настройку тонального генератора (см. рис. 7.23). Для настройки частотомер подключается к точке выхода, регулировкой R1 устанавливается величина нижней частоты (например, 1050 Гц), а регулировкой R2 (при замкнутой на землю точке "вход") устанавливается величина верхней частоты (например, 1250 Гц). Величина амплитуды выходного сигнала должна измеряться вольтметром, подключенным к выходу тонального генератора.

На этом настройка собственно модулятора закончена.

Применяемые варикапы
В большинстве схем этой главы используются варикапы. Конструктивное исполнение варикапа может быть: металлический, металлостеклянный или пластмассовый герметичный корпус со стеклянными изоляторами и гибкими или жесткими выводами и болтом для крепления. Варикапы КВ102А - КВ102Д и КВ104А - КВ104Е имеют бескорпусную конструкцию. Варикапы КВ109А - КВ109Г и варикапные матрицы КВС111А и КВС111Б изготовляют в пластмассовом корпусе.

Пайка и изгибание выводов разрешается не ближе 5 мм от корпуса. Запрещается нарушать заделку выводов бескорпусных диодов. Для повышения надежности рекомендуется выбирать нагрузки, не превышающие 0,7—0,8 предельных. Рабочее положение - любое. Основное назначение - работа в качестве перестраиваемой емкости.

Варикапы КВ102А - КВ102Д имеют положительный вывод, маркируемый оранжевой точкой. Варикапные матрицы КВС111А и КВС111Б имеют положительный вывод, маркируемый цветными точками: КВС111А белой, КВС111Б оранжевой. Изгибание выводов разрешается не ближе 1,5мм от корпуса с радиусом изгиба не менее 1.5 мм.
Варикапные матрицы предназначены для использования в качестве подстроечных конденсаторов в УКВ блоках приемников и селекторах каналов телевизоров.

Параметры варикапов приведены в табл. 7.2.



Литература:
1. В. Поляков «Трансиверы прямого преобразования», Москва, ДОСААФ, 1984г.

Автор
Тяпичев Г.А.

Продолжение здесь