Двухканальный узкополосный ГУН для настройки АЧХ кварцевых фильтров. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

Комментарии к статье

При проверке и налаживании трактов ПЧ с кварцевыми фильтрами или отдельных кварцевых фильтров у большинства радиолюбителей возникает проблема, где взять тестовый сигнал. Не всегда есть возможность измерить параметры косвенным методом с использованием смесителей приемника. Не все доступные и относительно недорогие прецизионные, многофункциональные измерительные генераторы перекрывают диапазон частот 30...90 МГц либо стабильность обычных ВЧ-генераторов (с функцией ГКЧ) не позволит ювелирно измерить и наладить характеристики кварцевых фильтров. А чаще всего просто нет такой техники в наличии, и покупать только для этих работ дорогой генератор неразумно.

В данной статье приводится описание двухканального генератора, управляемого напряжением (ГУН) с малым (несколько десятков килогерц) диапазоном перестройки, центральной частотой 2...90 МГц, выходным сопротивлением 50 Ом и выходным сигналом размахом 100...300 мВ. Устройство рассчитано на работу в составе измерителя АЧХ взамен ГКЧ, а также может работать вместе с другим генератором пилообразного сигнала.

Для получения стабильной работы ГУНа в качестве частотозадающих элементов были применены недорогие и доступные керамические резонаторы на частоты 2...12 МГц и дальнейшее умножение частоты. Конечно, современная элементная база позволила бы на DDS-генераторах или генераторах с ФАПЧ решить такую же задачу (с микроконтроллером и соответствующим программным обеспечением), но тогда сложность такого устройства превысила бы сложность проверяемой аппаратуры. Поэтому целью было создание простого генератора с использованием доступных элементов и не заниматься изготовлением катушек индуктивности, а также наладить устройство с помощью простых измерительных приборов.

Устройство разделено на отдельные функциональные узлы, которые можно монтировать или нет, в зависимости от потребностей владельца. Например, если у вас имеется мультифункциональный DDS-генератор, то можно генераторы не собирать и для выхода на конечную частоту обойтись только умножителями частоты и основным фильтром. Во избежание нестабильной работы я рекомендую применить в высокочастотной части исключительно КМОП-микросхемы серии 74АСхх.

Плата устройства (рис. 1) размерами 100x160 мм разработана таким образом, что ее можно изготовить односторонней (верхняя сторона, на которой размещены все элементы, кроме проволочных перемычек) или двухсторонней, если планируется использовать устройство на частотах более 25 МГц. Нумерация элементов на принципиальной схеме и плате начинается с цифры, присвоенной узлу, в который они входят. На рис. 2 показан монтаж элементов на одностороннем варианте платы. В этом случае выводы микросхемы в корпусе DIP припаивают со стороны печатных проводников, что требует особой внимательности.

Рис. 1. Плата устройства размерами 100x160 мм

Рис. 2. Монтаж элементов на одностороннем варианте платы

Керамические резонаторы имеют хорошую кратковременную стабильность частоты, позволяющую использовать их сигнал для налаживания кварцевых фильтров и надежно замерить их крутые скаты. Межрезонансный интервал у таких резонаторов на порядок больше, чем у кварцевых. Их можно без особых проблем тянуть по частоте на +0,3...-2 % от номинального значения. В табл. 1 приведены основные параметры пьезокерамических резонаторов, купленных в 2015 г. в России, и их диапазон перестройки по частоте для случая построения генератора на логических элементах микросхемы 74АС86.

Таблица 1

Тип резонатора1)	Номинальная частота, МГц	Число выводов	Минимальная частота2, МГц	Максимальная частота3 , МГц
Р	3	2	2,907	3,003
PC	3,1	3	3,041	3,09
Р	3,53	2	3,464	3,62
Р	4	2	3,918	4,012
Д	4,3	2	3,886	4,27
Д	4,5	2	4,27	4,56
Р	5	2	4,873	4,98
Р	6	2	5,864	6,015
Д	6,5	3	6,39	6,56
PC	6,90	3	6,776	6,908
Р	7,37	2	7,19	7,423
Р	8	2	7,842	8,069
Р	10	2	9,783	10,06
Д	10,7	2	10,436	10,711
Д	10,75	3	10,55	10,74
P	11	2	10,794	11,050
P	12	2	11,788	12,1
РС	12,9	3	12,470	12,772
P	16	2	15,982	16,045
РС	20	3	19,96	19,99

¹⁾ Р - резонаторы серии ZTA, PC - резонаторы серии ZTT (со встроенными конденсаторами), Д - дискриминаторные (для применения в ЧМ-детекторах). ²⁾ С двумя конденсаторами по 280 пФ. ³⁾ С двумя конденсаторами по 20 пФ.

Керамические резонаторы на более высокие частоты (более 13 МГц), очевидно, изготавливают по другой технологии, и их диапазон перестройки по частоте очень мал. У резонаторов серии ZTT есть встроенные конденсаторы, и поэтому перестроить их по частоте гораздо труднее, при этом не всегда можно получить номинальную частоту.

В табл. 2 приведены наиболее распространенные значения частоты ПЧ в различных радиоприемных устройствах (РПУ) и трансиверах, а также варианты генерирования этих частот с помощью керамических резонаторов. Анализ необходимых коэффициентов умножения или деления выявит необходимость применения умножения на два для расширения числа возможных вариантов и обеспечения качества сигнала.

Таблица 2

ПЧ, МГц	Основное применение	Частота генераторов, МГц
		Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3	Вариант 4
4,433	Трансиверы самодельные	2,955	5,911	4,433
4,915	Трансиверы самодельные	4,915	9,830
5	Трансиверы самодельные	10
5,5	Трансиверы самодельные	2,2	12,833	11
8,8	Трансиверы самодельные	2,933	3,520	5,910
8,9	Трансиверы самодельные	2,967	3,56	4,450
9	Стандартная	12	4	6
9,011	Трансивер IC R-75	12,015	4,005	6,007	3,6
10,095	Трансиверы Си-Би диапазона	3,565	5,350
10,7	Стандартная	3,567	5,350
20	Гражданские РПУ	4	5	10
21,4	Стандартная	3,567	3,057	4,076	5,350
34,785	РПУ Р-399	3,479	4,969
40,055	Трансиверы YAESU	4,006	8,011	4,451
44,93	Трансиверы	4,493	5,991	9,984
45	Бытовые РПУ	6	12	6,429	10
45,05	Трансиверы	4,505	12,013	10,011
45,705	Трансиверы	3,047
46,512	Трансиверы	4,430
47,055	Трансиверы	4.481	12,548	10,457
47,21	Трансиверы	4,496	12,589	10,491
48,64	Трансиверы	3,474	10,809
55,845	Бытовые РПУ	3,49	10,637	7,978	3,989
60	РПУ	4	6	12	8
64,455	Трансиверы ICOM	4,028	8,057
65,128	РПУ Бригантина	10,855
68,33	Трансиверы	4,881
68,966	Трансиверы	4,926	9,855
69,012	Трансивер IC R-75	4,929	9,859
69,45	Трансиверы	4,961	9,921
70	РПУ	3,5	5	10
70,2	РПУ EKD( ГДP)	10,029	20,057
70,452	Трансиверы		5,871
70,455	Трансиверы	3,523	5,871
73,05	Трансиверы	10,822
73,62	Трансиверы	10,907
80,455	Трансиверы
87	Самодельные РПУ	10,875	4,143	7,250
90	РПУ	10	12

Для понимания работы предлагаемых умножителей частоты приведу кратко важные параметры спектров выходных сигналов логических КМОП-элементов серии 74АС. Эти быстродействующие элементы работают при напряжении питания 2...6 В, и без емкостной нагрузки минимальная длительность фронта выходных импульсов - 1 нс, что позволяет получить существенные спектральные составляющие вплоть до частоты 250 МГц. При этом выходное сопротивление элементов - около 25 Ом, что облегчает получение значительной энергии высших гармонических составляющих. Передаточная характеристика логических элементов этой серии симметричная, а выходной каскад обладает одинаковой нагрузочной способностью и скоростью переключения для вытекающего и втекающего тока. Таким образом, выходной сигнал логических элементов и триггеров серии 74АСхх до частот 30 МГц можно считать идеальным, и все законы математики, относящиеся к спектрам импульсных сигналов, можно применить на практике с высокой точностью.

Прямоугольный сигнал с одинаковой длительностью импульса t_и и паузы t_п так называемый меандр (скважность Q = T/t_и = 2, где Т - период следования импульсов Т = t_и+t_п, но иногда используется термин "коэффициент заполнения", обратный скважности К = 1/Q), содержит в спектре, кроме первой гармоники (F₁ = 1/T - основная частота), еще и нечетные гармоники (2n+ 1)F₁, где n = 1, 2, 3.... На практике подавление четных гармоник может достигать 40 дБ без применения особых мер, а чтобы получить подавление до 60 дБ, придется обеспечить долговременную стабильность параметров элементов с помощью ООС и с дополнительной тщательной регулировкой.

Опыт показал, что делители частоты на два (D-триггеры и JK-триггеры серии 74АСхх, а также делитель частоты 74АС4040) на частотах до 4 МГц обеспечивают такое подавление до 60 дБ. При выходной частоте 30 МГц оно уменьшается до 30 дБ, а на частотах более 100 МГц выраженное подавление четных гармоник отсутствует.

Поэтому меандр имеет особое значение в умножителях частоты из-за относительной чистоты спектра, что упрощает последующие фильтры. По этой причине в предложенном устройстве предусмотрены элементы настройки симметрии сигнала. Практически идеальные выходные характеристики элементов серии 74АСхх позволяют без применения анализатора спектра с помощью элементов регулировки получить желаемую форму сигнала, измеряя среднее постоянное напряжение на выходе. Подавление четных гармоник до 40...50 дБ на частотах до 20 МГц получается без проблем.

Измерение скважности (коэффициента заполнения) выходного сигнала можно провести с помощью цифрового мультиметра в режиме измерения постоянного напряжения (R_вх ≥ 10 МОм), не меняя при этом предел измерения (рис. 3). Сначала мультиметр калибруют, для этого его через резистор сопротивлением 33...100 кОм подключают к линиям питания (непосредственно к соответствующим выводам микросхемы). Так как входное сопротивление мультиметра 10 МОм, его показания (U_к) будут на 0,3...1 % меньше напряжения питания. Резистор вместе со всеми емкостями проводов и входа мультиметра образуют ФНЧ для высокочастотного сигнала. Если на выходе логического элемента присутствует импульсный сигнал с Q = 2, мультиметр покажет U_вых = 0,5U_к. На рис. 4 показан спектр сигнала на выходе генератора микросхеме 74АС86 без особых мер симметрирования, подавление второй гармоники по отношению к первой - около 36 дБ. Для работы с умножителями частоты это не очень хорошо.

Рис. 3. Измерение скважности (коэффициента заполнения) выходного сигнала

Рис. 4. Спектр сигнала на выходе генератора микросхеме 74АС86

Если нарушить симметричность выходного сигнала, можно добиться подавления других спектральных составляющих. Например, при Q = 3 (рис. 5) в выходном сигнале подавляются гармоники, кратные трем (рис. 6). Налаживание такого режима осуществляют также с помощью мультиметра, только надо получить среднее напряжение U_вых = 0,333U_к (или 0,666U_к). Этот вариант особенно интересен, если необходимо получить умножение надваили четыре. На более высоких гармониках затраты на фильтры уже затрудняют практическое применение этого варианта.

Рис. 5. Спектр сигнала

Рис. 6. Спектр сигнала

Таким образом, меандр идеально подходит для получения нечетных гармоник сигнала, вплоть до седьмой. Более высокие уже сильно ослаблены, и их выделение потребовало бы сложных фильтров и усилителей. Вторую и четвертую гармоники лучше всего получить при скважности выходного сигнала Q = 3. Если в спектре нужны все ближние гармоники, надо настроить Q = 2,41 (К = 41,5%).

Здесь следует важное замечание. Иногда бывает, что в приемнике "блуждают" помехи от собственной системы ФАПЧ гетеродина или микроконтроллера. Умелым подбором скважности тактового сигнала можно подавить часть мешающих гармоник. Но в целом общий фон гармоник от тактового сигнала можно снизить, если по умолчанию установить его скважность точно Q = 2.

В предлагаемом устройстве в основном применены логические КМОП-элементы, работающие в линейном режиме. Для этого используется режим инвертора (если элемент двухвходовый, второй вход подключают к общему проводу или линии питания) и вводят ООС по постоянному току (рис. 7) для поддержания рабочей точки на середине передаточной характеристики. Резистор R3 обеспечивают ООС, а с помощью резисторов R1 и R2 можно смещать положение рабочей точки на передаточной характеристике. Эта схема также позволяет симметрировать логические элементы серий 74хСТхх, у которых порог переключения около 1,2 В (при напряжении питания 3,3 В). Критерий правильной настройки - установление выходного напряжения на 50 % от питания. Сопротивление резистора R2 выбирают как можно больше, чтобы он меньше влиял на входные сигнальные цепи.

Рис. 7. Схема устройства

Крутизна передаточной характеристики соответствует коэффициенту усиления по напряжению 30...40дБ. Поэтому входной сигнал напряжением несколько десятков милливольт уже приводит к изменению выходного от нуля до максимума. Чтобы уменьшить шумы при переключении из одного состояния в другое, на входе надо обеспечить определенную скорость нарастания сигнала (для серии 74АСхх - около 125мВ/нс). При этом существует нижняя граничная частота, при которой во время прохождения через активный участок характеристики не возникают мешающие шумы или самовозбуждение.

Если на входе логического элемента включен параллельный LC-контур, допускается подача более низкочастотных входных сигналов без возникновения шума. При напряжении питания 3,3 В на частоте 3 МГц минимальный размах напряжения - 0,5...1 В. Для работы на более низких частотах надо использовать логические элементы серий 74НСхх, MM74Схх, 40хх.

На основе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (микросхема 74АС86) можно легко сделать умножитель частоты на два, если сигнал подавать на один вход напрямую, на другой вход - через линию задержки на основе RC-цепи (рис. 8). Если постоянная времени RC-цепи (τ) существенно меньше периода следования импульсов Т, на выходе получим короткие импульсы при каждом перепаде входного напряжения, т. е. число импульсов (а значит, и их частота) увеличилось в два раза. С увеличением задержки (постоянной времени RC-цепи) на конденсаторе С1 сигнал становится треугольным и уменьшается его амплитуда, поэтому точность переключения снижается и ухудшается качество сигнала - фронты "плавают" с шумом. Такой умножитель работает стабильно при τ < 0,2Т. Для него очень важно, чтобы t1 = t2. При этом входной сигнал - меандр (Q = 2), и тогда на выходе умножителя сигнал с входной частотой будет подавлен (до 40 дБ).

Рис. 8. Умножитель частоты

Еще более чистый спектр выходного сигнала будет в случае Q = 3 (рис. 9). При этом умножитель "выдаст" на выходе гармоники на частотах 2F₁, 4F₁, 8F₁, 10F₁, 14F₁, 16F₁ и т. д.). Практическое значение имеют только гармоники на 2F₁ и 4F₁, а подавление гармоник с частотами F₁, 3F₁, 5F₁ и 6F₁ выручает. При этой настройке на выходе должно быть U_вых = 0,333U_к.

Рис. 9. Спектр выходного сигнала

Если задача ГУНа состоит в формировании сигнала для налаживания кварцевого фильтра, то может возникнуть вопрос, не достаточно ли подавать импульсный сигнал с выхода логического элемента напрямую на кварцевый фильтр (через резистивный согласующий аттенюатор)? Ведь сам фильтр будет подавлять другие гармоники. В некоторых случаях это возможно, но самый большой и непредсказуемый "вредитель" - основная гармоника с большой мощностью. Она может легко "обойти" фильтр и вызвать большой уровень фонового сигнала в широкополосном детекторе. Энергия остальных гармоник в сумме также большая и последствия те же.

Кроме того, многие высокочастотные кварцевые фильтры работают на гармониках (в основном на третьей) и при этом имеют паразитные каналы пропускания вблизи основной частоты, через которые может проникать тестовый сигнал и вызвать искажение АЧХ на экране, которого на самом деле нет. Поэтому я рекомендую не отказываться от фильтра на выходе умножителя частоты - это один из самых важных элементов, который в итоге определит качество работы над РПУ. Для примера на рис. 10 показан спектр сигнала (см. рис. 4) после его прохождения через двухконтурный LC-фильтр. На выходе осталась седьмая гармоника (55846 кГц), пятая подавлена на 30 дБ, а основная - более 42 дБ, поэтому они будут мало мешать качественным измерениям.

Рис. 10. Спектр сигнала

Структурная схема измерительного генератора показана на рис. 11. В схеме предусмотрены два генератора (G1, G2) одинаковой конструкции для расширения функциональных возможностей прибора. После них в умножителе-делителе частоты U1 или умножителе частоты U2 происходит промежуточное умножение частоты. Коэффициент умножения равен одному, двум, трем или четырем. Кроме того, в умножителе-делителе частоты U1 перед умножением частоту сигнала можно поделить на два или четыре. В смесителе на выходе элемента DD1 и после ФНЧ Z3 (частота среза - 100 кГц) формируется сигнал на частоте F = |n₁F_гун1 - n₂F_гун2|. Смеситель также работает на гармониках.

Рис. 11. Структурная схема измерительного генератора (нажмите для увеличения)

В модуляторе работают элементы DD2, DD3, Z1 и Z2, они формируют необходимую скважность сигнала для последнего этапа умножения. При скважности Q = 2 элементы Z1 и Z2 не нужны. DD4 и DD5 работают как буферные усилители, кроме того, в них можно осуществить импульсную модуляцию.

Генератор G3 формирует короткие импульсы для имитации импульсных помех, он активируется высоким уровнем сигнала SPON. Если его частоту уменьшить в 100...1000 раз (увеличением емкости соответствующих конденсаторов), в РПУ можно наладить динамику АРУ или шумоподавителя.

С помощью фильтров Z4 и Z5 выделяется нужная гармоника, а усилители А2 и А3 придают сигналам необходимый уровень. На выходе GEN-3 можно создать комбинированный сигнал с помощью перемычек S1 и S2.

Блок питания (БП) обеспечивает напряжением 3,3 В узлы устройства, а также есть выход напряжения +3,9 В для питания проверяемой маломощной аппаратуры (радиоприемники TECSUN, DEGEN и др.) На вход блока питания можно подавать напряжение +5 В от USB-порта или зарядного устройства сотового телефона, а также от нестабилизированного сетевого блока питания с выходным напряжением 5...15 В. Ток, потребляемый устройством, зависит от частоты генераторов и не превышает 70 мА в полной комплектации.

Задающие генераторы

Схема ГУНа для варианта с выходными частотами 55845 и 34785 кГц показана на рис. 12. В отличие от простой общеизвестной "компьютерной" схемы кварцевого генератора на логических элементах, здесь применены варикапные сборки VD100, VD101 (VD200, VD201) для перестройки по частоте. В каждой сборке для ВЧ-сигнала варикапы включены последовательно. Это позволяет уменьшить напряжение сигнала на каждом из них и подавать сравнительно небольшое управляющее напряжение.

Рис. 12. Схема ГУНа для варианта с выходными частотами 55845 и 34785 кГц (нажмите для увеличения)

Выбор варикапов зависит от режима работы резонатора. Если требуется работа задающего генератора (ЗГ) на частоте (F_зг), которая выше или близко к номинальной частоте резонатора, подойдут варикапы с максимальной емкостью до 40 пФ (КВ111, ВВ304). Если планируется перестроить частоту на несколько десятков килогерц ниже номинального значения, на плате предусмотрены места для установки дополнительных сборок такого же типа. А если частота уже на 100 кГц меньше номинальной, потребуются варикапы, у которых при напряжении 2 В емкость около 150 пФ (ВВ212). С помощью под-строечных конденсаторов С102, С107 (С202, С207) можно сместить диапазон сканирования по частоте в зависимости от управляющего сигнала на входе "SCAN-1" ("SCAN-2").

На вход управления частотой "SCAN-1" ("SCAN-2") можно подавать управляющее напряжение 0...15 В. При этом на варикапах напряжение будет изменяться от 1,65 до 9,15 В, и модуляционная характеристика ГУНа имеет удовлетворительную линейность. Для активизации (включения) генератора надо установить перемычку S100 "EN1" (S200 "EN2"). Подстроечный резистор R106 (R206) служит для симметрирования выходного сигнала - получения меандра.

На элементе DD100.3 (DD200.3) можно собрать буферный каскад или умножитель частоты на два. В первом случае достаточно не устанавливать резистор R111 (R211). Во-втором - потребуется подборка конденсатора С109 (С209) для получения сигнала наилучшего качества на конкретной частоте. Указанное на схеме значение емкости этого конденсатора подходит для умножения с 3 до 6 МГц и может быть пропорционально изменено для других выходных частот от 2 до 16 МГц. Подстроечным конденсатором С108 (С208) устанавливают максимальную чистоту спектра выходного сигнала (оптимальная скважность Q = 3).

В первом ЗГ на триггерах DD101.1 и DD101.2 собраны делители частоты, и с помощью выключателей S100.1 - S100.4 на выходе (ХТ100) можно установить сигнал с частототами 0,25F_зг, 0,5F_зг, F_зг, и 2F_зг. Если нет необходимости переключать частоту, взамен выключателей надо установить требуемую перемычку, а микросхему DD101 не устанавливать.

Режим широкополосного умножения на два достигается за счет RC-цепи R111,С108,С109 (R211,С208,С209).

Для выделения сигнала на требуемой частоте применен LC-контур, состоящий из элементов L100, L101, C113 и C114 (L200, L201, C213 и C214). Для выделения второй гармоники соотношение индуктивностей катушек L101 и L100 (L201 и L200) должно быть 3 : 1, для выделения четвертой - 6 : 1, а для третьей (Q = 2) - около 4 : 1. Для частот 3...5 МГц суммарная индуктивность должна быть 10...6 мкГн, для частоты 20 МГц - около 2 мкГн. Контур настраивают в резонанс с помощью подстроечного конденсатора С114 (С214). Определять резонанс, контролируя амплитуду сигнала непосредственно на самом контуре, нежелательно из-за влияния измерительного прибора. Лучше всего это сделать, если с помощью резистора R117 (R214) немного "нарушить" меандр на выходе элемента DD100.4 (DD200.4), тогда при резонансе (это максимум амплитуды синусоидального сигнала) скважность выходного сигнала приближается к Q = 2, затем этим резистором устанавливают точное значение Q = 2 на выходе ХТ101 (ХТ201).

При работе на основной частоте элементы этого LC-контура и элементы симметрирования не устанавливают, а выход элемента DD100.3 (DD200.3) напрямую соединяют с входом элемента DD100.4 (DD200.4). Резисторами R106 и R206 устанавливают Q = 2 на выходе ХТ101 (ХТ201).

Модулятор

Элементы DD301.1 и DD301.3 модулятора конфигурируются в зависимости от нужного коэффициента умножения частоты, что требует точной установки Q = 2 в предыдущих каскадах. При умножении в нечетное число раз не нужно устанавливать RC-цепи задержки, и на оба входа подают одинаковый сигнал (R307, R309, С302-С305 не устанавливают). Для умножения на два или на четыре с помощью этих цепей устанавливают Q = 3 на выводе 11 элемента DD301.1 и на выводе 3 элемента DD301.3.

В элементе DD301.2 (DD301.4) осуществляется импульсная модуляция. С его выхода через резистор R400 (R500) сигнал поступает на основной фильтр. Поэтому на плате непосредственно с этим элементом предусмотрена установка двух блокировочных конденсаторов. Без них будет заметное влияние на другие узлы через линии питания. На плате предусмотрены резисторы R308, R310 и R311, соединенные с общим проводом или линией питания, которые можно задействовать в случае, если на эти входы подавать сигнал от внешнего источника.

На микросхеме DD300 собран импульсный генератор для формирования сигнала со скважностью до Q ≈ 1000. Частоту модулирующего сигнала в диапазоне 0,1...1 кГц устанавливают резистором R301. Длительность импульса (8...80 мкс) устанавливают резистором R302. Такие параметры - оптимальные для настройки систем подавления импульсных помех (noise blanker). Установкой перемычки "SPON" активируется импульсная модуляция ВЧ-сигналов. Для удобства работы с осциллографом формируется сигнал "SYNC" амплитудой 1 В.

Для проверки реакции АРУ или шумоподавителя в РПУ нужно изменить временные параметры модуляции. Для этого подбирают конденсаторы С300 и С301, их емкость может изменяться в широких пределах, допустимо применение оксидных конденсаторов с учетом их полярности (минус - на общий провод).

Основной фильтр

Самая мощная спектральная составляющая - на основной частоте ЗГ, и от нее надо избавиться в первую очередь ввиду ее относительно большой мощности. Поэтому основной двухконтурный фильтр на элементах L400-L403 и C402-C407 (L500-L503 и C502-C507) "начинается" с катушки индуктивности L400 (L500). По сравнению с вариантом с конденсатором, при том же числе элементов можно получить выигрыш в подавлении первой гармоники на 10...16 дБ. Подборкой конденсатора C404 (С504) устанавливают связь между контурами не более критической. Ориентировочно его емкость должна быть в 20...30 раз больше емкости контурного конденсатора С_к = С402 + С403 (С502 + С503). Это обеспечивает оптимальное подавление мешающих гармоник. Номиналы элементов указаны для частоты настройки фильтра около 35 (56) МГц. АЧХ этих фильтров показана на рис. 13 и рис. 14 соответственно. Изменить частоту настройки фильтра, например, уменьшить, можно пропорциональным увеличением индуктивности катушек и емкости конденсаторов фильтра.

Рис. 13. АЧХ фильтров

Рис. 14. АЧХ фильтров

Для диапазона частот 4...90 МГц можно применить дроссели серии ЕС-24. Конденсатор С407 (С507) подбирают для получения размаха напряжения на базе транзистора - 30...60 мВ.

Для варианта с центральной частотой 10,7 МГц можно даже обойтись без катушек индуктивности. Вместо основного LC-фильтра устанавливают пьезофильтр с полосой пропускания 180...350 кГц от тракта ПЧ УКВ-приемника. Схема его подключения во втором канале показана на рис. 15. Номинальное сопротивление резистора R500 (820 Ом) указано для случая подачи сигнала на частоте 3566 кГц. Если частота 2...3 МГц, сопротивление надо уменьшить до 620 Ом. Резисторы R2-R4 обеспечивают сопротивление нагрузки 330 Ом для фильтра ZQ1, что важно для обеспечения минимальной неравномерности АЧХ в области частот 10700 ± 50 кГц. Резистор R4 повышает устойчивость усилителя на высокой частоте.

Рис. 15. Схема подключения

Усилитель на транзисторе VT400 (VT500) (см. рис. 12) на нагрузке 50 Ом обеспечивает сигнал размахом до 300 мВ. Чтобы при этом обеспечить линейный режим, ток коллектора транзистора должен быть около 10 мА, его устанавливают подборкой резистора R401 (R501). Усиление составляет примерно 14 дБ (5 раз). Для настройки фильтра с помощью мультиметра на выходе усилителя установлен детектор на диоде VD400 (VD500). Диод 1N4148 удовлетворительно работает до частоты 45 МГц. На более высокие частоты желательно применить маломощные высокочастотные германиевые диоды или диоды Шоттки (серии BAT или BAS). Настраивают фильтр по максимуму сигнала на выходе детектора.

В схеме сумматора (L504, C512- C515, R507-R509) не указаны номиналы элементов, так как компоновка сильно зависит от конкретной задачи. Это предлагает широкие возможности для суммирования сигналов.

Сумматор не может заменить качественный двухчастотный генератор для измерения интермодуляционных искажений и IP3, так как оба сигнала уже раз "пересеклись" в модуляторе через общие выводы питания микросхемы DD301. Но тем не менее такие искажения можно измерить до уровня 30 дБ, что в большинстве случаев достаточно, чтобы отрегулировать ВЧ-узлы по минимуму искажений.

Смеситель на микросхеме DD700 предусмотрен в первую очередь для образования частотного маркера на экране осциллографа при исследовании АЧХ фильтра. При этом один генератор работает как эталонный без сканирования, и его частоту измеряют частотомером. При равенстве с частотой сканирующего генератора образуется нулевое биение, хорошо наблюдаемое на экране. Этим методом в скромной домашней лаборатории можно весьма точно настроить фильтр на требуемую частоту. Но смеситель можно применить и для других целей. Так как он хорошо работает на всех гармониках, можно реализовать сетку маркеров (как в измерителе АЧХ Х1-48 и аналогичных). В зависимости от конкретной задачи придется подобрать параметры ФНЧ R700, C700, R701, C701. Если подавать на смеситель только один сигнал (отключать второй генератор), этот сигнал и будет на выходе.

Примеры реализации ГУНа

При выборе варианта надо учитывать наличие резонаторов, и более предпочтительными всегда являются варианты с применением промежуточного делителя частоты на два (или четыре) либо умножением на два (при Q = 3). Причина этому - отсутствие в промежуточном спектре (контакты ХТ400 и ХТ500) первой гармоники ЗГ, чем устраняется обратная реакция на генератор ("прыжки" по частоте при изменении нагрузки). Для кварцевых фильтров, работающих на третьей гармонике, желательно избегать вариантов с умножением на три во втором умножителе.

В задающем генераторе за счет применения микросхем серии 74АС86 или 74НС86 можно сдвинуть интервал работы резонаторов на несколько десятков килогерц. На 74АС86 частота всегда будет чуть выше и стабильность частоты заметно лучше. У микросхем 74НС86 порог передаточной характеристики смещен до 33 % от напряжения питания, что неудобно для реализации вариантов со сложными промежуточными преобразованиями.

4433 кГц

Фильтры на эту частоту в большинстве случаев изготавливают на основе кварцевых резонаторов для PAL-декодеров. Такие фильтры пользуются популярностью у радиолюбителей, так как резонаторы доступны и относительно дешевы, а в одной партии имеют малый разброс параметров. На них получаются вполне "серьезные" SSB/CW-фильтры. Хороший вариант с высокой стабильностью - применить резонатор на частоту 3580 кГц (настройка на 3546 кГц) с последующим делением на четыре и умножением на пять.

5500 кГц

Сформировать сигнал с частотой 5500 кГц можно, если в ЗГ применить резонатор на частоту 11 МГц и затем поделить частоту на два. В этом случае получим чистый спектр и слабое влияние на ЗГ. Взамен основного LC-фильтра можно установить пьезофильтр на частоту 5,5 МГц, применяемый в звуковом тракте телевизора (см. рис. 15).

8814...9011 кГц

Частоту в диапазоне 8814...9011 кГц можно получить, применив резонаторы на частоту 6 (12) МГц с последующим ее делением на два (четыре) и умножением на три. Также можно применить резонатор с номинальной частотой 3580 кГц, перестроить его на диапазон 3525...3604 кГц, затем поделить частоту на два и умножить на пять. Резонаторы с номинальной частотой 3 МГц - не самый хороший вариант, так как при применении в этот диапазон попадает третья гармоника ЗГ.

10700 кГц

С дискриминаторным резонатором на частоту 10700 кГц в ЗГ можно сразу получить требуемый сигнал, но взаимное влияние ЗГ и выходного УВЧ может испортить результат замеров АЧХ SSB-фильтров с очень крутыми скатами. Лучший результат можно получить с резонатором на частоту 3,58 МГц (настройка на 3567 кГц) и умножением на три.

С резонатором на частоту 4300 кГц (настройка на 4280 кГц) с последующим делением на два и умножением на пять получим очень стабильный сигнал для налаживания SSB-фильтров. По опыту для этого надо приобрести несколько резонаторов, так как у них бывают провалы в импедансе в области частот 3,5...4,5 МГц, и выбирать самый "гладкий".

21400 кГц

С помощью резонатора на частоту 3,58 МГц (настройка на 3567 кГц) и умножением на два получим сигнал частотой 7133 кГц, третью гармонику (21400 кГц) выделит основной фильтр.

Также хорошо будет работать дискриминаторный резонатор на частоту 10700 кГц с последующим удвоением. Для этого надо задействовать элемент DD301.1 и установить на его выходе Q=3 (R307 = 1 кОм, С302 + С303 = 15 пФ) (рис. 16).

Рис. 16. Сигнал, скважность которого ближе к Q = 3

При налаживании с помощью мультиметра можно получить подавление сигнала на частоте 32100 кГц не менее 40 дБ. С помощью анализатора спектра подавление можно довести до 50 дБ. Качество сигнала после основного фильтра позволит измерять АЧХ фильтров в интервале до 80...90 дБ.

34875 кГц

Частоту 34875 кГц лучше всего получить, применив в ЗГ резонатор на частоту 10 МГц и настроив его на 9939 кГц, затем поделив на два и умножить на семь.

Второй вариант - установка резонатора на частоту 3,58 МГц (настройка на 3487 кГц) с промежуточным умножением на два и окончательным на пять. Этот вариант тем хорош, что пятую гармонику фильтр выделяет лучше, чем седьмую. Обязательно потребуется тщательная установка Q = 2.

45 МГц

На первый взгляд, для этой частоты существуют много вариантов, но большинство требуют окончательного умножения на три, что не всегда хорошо. Лучшие варианты - сначала получить частоту 9 МГц (с последующим умножением на пять) или 6428 кГц (с последующим умножением на семь). На частоту 9 МГц можно выйти, применив дискриминаторный резонатор на частоту 4500 кГц с предварительным удвоением частоты или с резонаторами на 3, 6, 12 МГц с делением на два (четыре) и умножением на три.

Промежуточный фильтр на 9 МГц в случае умножения частоты на два реализуют с помощью катушек индуктивности L100 = 1,5 мкГн и L101 = 4,7 мкГн. При умножении частоты на три надо установить L100 = 1 мкГн, конденсатор C113 = 39 пФ. При резонансе на входе элемента DD100.4 присутствует сигнал размахом 1,5 В, что вполне достаточно для срабатывания логического элемента.

Главная предпосылка для получения чистого спектра при умножении частоты на три - это сигнал от ЗГ с Q = 2. Если сигнал поступает с выхода делителя частоты на триггере DD101.1 или DD101.2, это получится автоматически. Без делителя надо установить сигнал ЗГ с Q = 2. При умножении на два также надо получить сигнал с Q = 2 на выходе элемента DD100.1, а в умножителе (выход элемента DD100.3) установить Q = 3 с помощью конденсатора С108. Затем настраивают в резонанс фильтр. Для этого сначала с помощью резистора R117 нарушают баланс элемента DD100.4, чтобы получить на выходе элемента DD100.4 сигнал с переменной скважностью (рис. 17). Разная длительность импульсов обусловлена тем, что на частоте 9 МГц новая энергия в контур поступает только с каждым третьим импульсом.

Рис. 17. Сигнал с переменной скважностью

Настроив фильтр в резонанс, получим сигнал, скважность которого уже ближе к Q = 2 (рис. 18). При резонансе показания мультиметра максимально приближаются к 50 % от UK. При полном обороте подстроечного конденсатора мы должны заметить это явление два раза и при этом на выходе отметить чистый сигнал на частоте 9 МГц.

Рис. 18. Сигнал, скважность которого уже ближе к Q = 2

В заключение c помощью резистора R117 восстанавливают Q = 2. Проверяют это с помощью мультиметра на контакте ХТ400, установив напряжение ровно 50 % от UK. При этом последующий фильтр должен быть временно отключен. В этом случае на контакте XT400 получим промежуточный сигнал частотой 9 МГц, у которого четные гармоники подавлены на 40 дБ и умножение на 45 МГц не вызывает особых трудностей.

55845 кГц

Решение этой задачи обеспечит резонатор на частоту 8 МГц (настройка на 7978 кГц). Но потребуется тщательная установка Q = 2 на входе основного фильтра, чтобы подавить четные, а также пятую и девятую гармоники.

Другой вариант - применение резонатора на частоту 3680 кГц (настройкой на 3723 кГц) с промежуточным умножением на три (11169 кГц) и последующим - на пять.

60128 кГц

Самый простой вариант - применить резонатор на частоту 12 МГц (настройка на 12026 кГц) с умножением на пять. Можно применить резонатор на частоту 6 МГц, применив предварительное умножение на два. Промежуточный фильтр на частоту 12 МГц составляют катушки индуктивности L100 = 1 мкГн и L101 = 3,3 мкГн, конденсатор С113 = 33 пФ.

64455 и 65128 кГц

Применение дискриминаторного резонатора на частоту 6,5 МГц (настройка на 6445 кГц) обеспечит, наверное, самый оптимальный вариант по доступности и стабильности. Умножением на два и на пять "выходим" на частоту 64455 кГц. Для получения частоты 65128 кГц настроим ЗГ на частоту 6,513 МГц. Для промежуточного фильтра на частоту 13 МГц (после умножения на два) потребуются установка L100 = 0,82 мкГн и L101 = 2,2 мкГн, конденсатор С113 = 39 пФ.

70200 и 70455 кГц

Самый простой вариант - в ЗГ применить резонатор на частоту 10 МГц (настройка 10030, 10065 кГц). Но не все резонаторы "дотянут" до частоты 10050 кГц.

Для получения частоты 70455 кГц можно применить резонатор на частоту 3,58 МГц (настройка на 3523 кГц). После умножения на четыре "выходим" на частоту 14091 кГц и далее - умножение на пять. Рассмотрим этот вариант подробнее, так как он требует тщательного пошагового налаживания.

Сначала надо получить в ЗГ Q = 2, сопротивление резистора R118 (R215) целесообразно увеличить до 330 кОм, чтобы повысить долгосрочную стабильность настройки. Затем устанавливают Q = 3 на выходе первого умножителя для получения максимального уровня четных гармоник. Промежуточный фильтр настраивают на частоту 14 МГц. Для этого устанавливают L100 = 0,18 мкГн и L101 = 1 мкГн, конденсатор C113 = 100 пФ, C114 - подстроечный 6...30 пФ, резистор R212 = 820 Ом. Контур имеет высокую добротность, и спектральная линия на частоте 7 МГц подавлена на 40 дБ. После симметрирования с помощью резистора R117 получим спектр, в котором отсутствуют четные гармонии от основного сигнала и сигнал на частоте 70 МГц на 26 дБ превышает все остальные.

В выходном фильтре устанавливают L400 = 27 нГн (типоразмер 0805 или 0603). Контурные катушки (L401 и L402) - по 0,47 мкГн (дроссели ЕС-24), а конденсаторы - суммарной емкостью 11 пФ. Общая емкость конденсатора C404 - 250 пФ, С407 = 82 пФ. Результирующая полоса пропускания - около 2 МГц, сигнал с частотой 14 МГц на 40 дБ меньше сигнала с частотой 70 МГц, на частоте 42 МГц относительное подавление - 46 дБ, на частоте 140 МГц - 26 дБ. Размах сигнала на выходе ("GEN1") - 400 мВ.

Кратковременная нестабильность частоты составляет около ±50 Гц. За 10 мин частота медленно изменяется в диапазоне ±200 Гц. Эти значения можно уменьшить с помощью экранировки, так как потоки воздуха в комнате оказывают заметное влияние. Для налаживания фильтров с полосой пропускания более 5 кГц этого достаточно. Зависимость частоты от сопротивления нагрузки практически не проявляется. Вариант с резонатором на частоту 10 МГц оказался в 2...3 раза стабильнее.

Наверное, этим примером мы прошли "высокую школу" работы на ВЧ с логическими элементами КМОП серии 74АС и хорошо "пощупали" пределы данной техники при реализации множителей на высокие частоты минимальными средствами.

80455 кГц

С резонатором 8 МГц (настройка на 8045 кГц) и первичным удвоением частоты получим 16090 кГц. Последующее умножение на пять даст желаемый результат.

90 МГц

Самый надежный вариант - применить резонатор на частоту 12 МГц. Промежуточное деление на два даст стабильный сигнал на частоте 6 МГц с подавлением четных гармоник до 50 дБ. После предварительного умножения на три выйдем на частоту 18 МГц. В этом случае в промежуточном фильтре (на 18 МГц) устанавливают катушки индуктивности L100 = 0,56 мкГн и L101 = 2,2 мкГн и конденсатор С113 = 12 пФ. На частоте 90 МГц транзистор КТ368АМ работает хорошо и выдаст без нагрузки сигнал размахом 400 мВ и 200 мВ на нагрузку 50 Ом. Вторая гармоника (180 МГц) возникает в УВЧ и подавлена на 20 дБ. В основном фильтре установлены L400 = 15 нГн (типоразмер 0805), L401 = L402 = 0,27 мкГн (ЕС-24), контурные емкости по 11 пФ, конденсаторы С404 = 300 пФ, С407 = 68 пФ. На рис. 19 изображена АЧХ этого фильтра с полосой пропускания 4 МГц по уровню 3 дБ. В этом варианте получилась отличная кратковременная стабильность, и за первый час работы частота плавно увеличивалась на 1 кГц, если установить плату ГУНа в закрытый корпус. Потом частота медленно изменяется в диапазоне ±100 Гц.

Рис. 19. АЧХ фильтра с полосой пропускания 4 МГц по уровню 3 дБ

135,495 МГц

Для выхода на такую высокую частоту лучше применить кварцевые резонаторы на частоту 15...20 МГц (первая гармоника), которые обеспечивают перестройку 5...8 кГц. Но будет надежнее, если подавать сигнал с бюджетного DDS-генератора частотой 9022 или 15055 кГц на вход элемента DD100.1 (DD200.1). Для получения достаточного уровня сигнала на частоте 135 МГц надо стремиться к достаточно высокой частоте после первого умножения (27 или 45 МГц). Выходной фильтр можно реализовать на ПАВ-фильтре HDF135-8, у которого хорошее подавление на частотах до 100 МГц. Для согласования на его выходе надо установить RC-цепь (1 пФ + 68 Ом) и со стороны модулятора (DD301) с помощью резистивного аттенюатора обеспечить импеданс 50 Ом.

Сигналы до частоты 240 МГц

На этом примере я хочу показать потенциал примененных элементов. Например, ЗГ работает на частоте 12 МГц. Умножитель на DD100.3 настроен на Q = 3 и выдает импульсы частотой 24 МГц на LC-контур. Очень важной является точная настройка фильтров с помощью анализатора спектра (или с таким же успехом - мультиметра). Методика налаживания такая же, как для фильтра на частоту 9 МГц, но L100 = 0,56 мкГн и L101 = 2,2 мкГн, конденсатор С113 = 6,8 пФ. На выходе (ХТ400) присутствует сигнал со спектром, в котором подавлены (не менее 50 дБ) нечетные гармоники от 24 до 300 МГц (благодаря хорошей топологии платы вокруг DD301). Сигнал на частоте 168 МГц примерно на 18 дБ слабее основного сигнала (24 МГц), и на 240 МГц еще имеется значительный уровень (-26 дБ).

Предложенный ГУН удобно применить совместно с генератором пилообразного напряжения и логарифмическим детектором (микросхема AD8307). Работа КМОП-элементов на ВЧ в сочетании с LC-контурами открывает уникальные возможности при разработке QRP-аппаратуры. Логические элементы серии 74АС имеют низкий фазовый шум, если на частотах 20...120 МГц на их вход подавать синусоидальный сигнал, по размаху равный напряжению питания. Элементы серии 74НС для этого менее пригодны.

Дополнительная информация, а также чертежи печатной платы в разных форматах: ftp://ftp.radio.ru/pub/2016/05/GUN.zip.

Автор: Айо Лохни

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива Процессор WonderMedia Prizm WM8880 для мобильных устройств 27.05.2013 Компания WonderMedia, подразделение VIA Technologies, по информации сетевых источников, вскоре выпустит новую "систему на чипе" Prizm WM8880 для мобильных устройств. Сообщается, что процессор объединяет два вычислительных ядра с архитектурой ARM Cortex-A9, функционирующих на тактовой частоте 1,5 ГГц. Кроме того, в состав чипа входит двухъядерный графический контроллер Mali 400. Платформа Prizm WM8880 обеспечит поддержку видео высокой чёткости в формате 1080р (1920х1080 пикселей). По всей видимости, процессор Prizm WM8880 унаследует от модели WM8980 такие характеристики, как поддержка памяти DDR3/LPDDR2 SDRAM, а также HDMI, LVDS и DVI. Prizm WM8880 предназначен для использования в смартфонах и планшетах. Кстати, в Интернете уже появилась информация об одном из таких устройств. Речь идёт о некоем китайском планшете, который наделён 7-дюймовым экраном с разрешением 1024?600 точек, 1 Гбайт оперативной памяти, флеш-накопителем на 16 Гбайт и слотом microSD.

Другие интересные новости:

▪ Процессоры Intel XScale

▪ Нанопродукты могут быть опасны

▪ Треугольник смерти

▪ Электрический купе-кроссовер Skoda Enyaq Coupe iV

▪ FingerReader - устройство для чтения текста

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Дом, приусадебное хозяйство, хобби. Подборка статей

▪ статья Элементарно, Ватсон! Крылатое выражение

▪ статья Какому знаменитому брюссельскому мальчику в пару поставили девочку? Подробный ответ

▪ статья Электромонтажник по освещению и осветительным сетям. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Сторож для активной телеантенны. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Сломанная спичка снова становится целой. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

All languages of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua
2000-2024