КВ синтезатор

КВ синтезатор

В каждом КВ трансивере есть генератор плавного диапазона (ГПД) .Наиболее важные параметры этого узла - стабильность частоты и ширина спектра вблизи основной гармоники до сих пор являются проблемой . Нередко можно услышать перепалки в эфире о том кто на кого наехал из-за невысокой стабильности частоты . Несмотря на то , что в обычном LC генераторе легко получить достаточно чистый спектр , часто этому не уделяют должного внимания . Применение синтезатора частоты позволяет решить проблему высокой стабильности , однако чистота спектра сигнала синтезатора оставляет желать лучшего . Схемы , применяемые радиолюбителями в последние 15-20 лет за редким исключением построены на базе классической однопетлевой системы ФАПЧ .Не вдаваясь в тонкости математического аппарата , описывающего работу ФАПЧ , можно отметить некоторые важные моменты . Генератор управляемый напряжением (ГУН) представляет собой обычный LC генератор , в цепи управления частотой которого используется варикап .
Очевидно ухудшение спектрального состава выходного сигнала происходит из-за воздействия на контур для управления частотой генератора . В процессе работы петли ФАПЧ по этой цепи происходит паразитная частотная модуляция выходного сигнала . Имеются некоторые оптимальные , с точки зрения высокой точности поддержания частоты , параметры фильтра на выходе фазового детектора . Увеличение постоянной времени фильтра улучшает спектральную чистоту выходного сигнала , но ухудшает динамические
характеристики петли ФАПЧ . Большое значение имеет конструктивное исполнение синтезатора . Помехи на ГУН по цепям питания от работы цифровой части практически неустранимы , т.к. находятся за пределами полосы пропускания петли ФАПЧ и не могут быть подавлены автоматически . В этом случае применяются конструктивные меры помехозащиты (экранирование , разделение питания ).

Шаг перестройки однопетлевого синтезатора равен опорной частоте . Чтобы получить шаг перестройки 50 Гц , опорная частота соответственно должна быть выбрана 50 Гц . На практике такой выбор не применяется , т.к. время установления частоты при удовлетворительной чистоте спектра будет составлять не лучше 0.5 сек. Для устранения этого недостатка вводится делитель на 4 на выходе синтезатора . Опорная частота при этом будет 200 Гц , шаг перестройки - 50 Гц , скорость установления частоты в районе 0.15 с . При работе с расстройкой или в режиме "сплит" будет заметен эффект медленного появления станции на частоте . Это предельно достижимые параметры для данной схемы . Дальнейшее уменьшение постоянной времени фильтра приводит к появлению заметной девиации частоты ГПД , т.е. речь идет даже не о высокой чистоте спектра , а о такой , изъяны которой всего лишь нельзя оценить на слух .
Применение многопетлевых синтезаторов для любительского трансивера едва ли оправдано , т.к. несмотря на значительное усложнение схемотехники позволяет решить только вопросы уменьшения шага перестройки и увеличения скорости установки частоты . По чистоте спектра такие схемы недалеко ушли от однопетлевых и в некотором смысле уступают им , т.к. в режиме захвата имеют большее количество паразитных спектральных составляющих . С точки зрения приема слабой станции это более тяжелый случай .

Описываемый ниже синтезатор частоты построен по однопетлевой схеме. Для улучшения динамических и спектральных характеристик опорная частота увеличена до 1 кГц . Это позволило получить шаг перестройки частоты 25 или 50 Гц , время установления частоты в районе 10-20 мс . Постоянная времени фильтра выбрана со значительным запасом по отношению к минимальной расчетной величине, что позволило добиться дополнительного улучшения спектрального состава выходного сигнала . Синтезатор состоит из блока управления , блока ГУН , валкодера , блока индикации и блока клавиатуры .

Блок управления выполнен на базе однокристальной ЭВМ семейства MCS-51 - АТ89с51 . В качестве ДПКД и ДФКД используется D3 - интегральный таймер 580ВИ53 . На м/с D1 выполнен формирователь импульсов валкодера . Опорная частота 1 кГц получается после предварительного деления на 4 частоты 12 мГц кварцевого генератора микроконтроллера . При помощи перемычек , соединяющих контактные точки 1,2,3, 4 собирается одна из схем , в зависимости от свойств установленного кварцевого резонатора . Если нужно включить С2 параллельно резонатору , устанавливаются перемычки 1-4 , 2-3 , если последовательно , устанавливается одна перемычка 1-2 . Емкости С3,С4 устанавливаются в случае необходимости понизить частоту . Далее сигнал частотой 3мГц подается на 3-й канал таймера , на выходе которого получается частота 1 кГц . Второй канал таймера используется как поглощающий счетчик для предварительного делителя на 10/11 . На первом канале таймера выполнена низкочастотная часть ДПКД . На микросхеме D2 - 24с04 выполнена энергонезависимая память . В ней хранится содержимое ячеек памяти , промежуточная частота , текущие частоты по диапазонам и другая установочная информация . На м/с D6 выполнен фазовый детектор . Это классическая схема , имеющая рабочий диапазон 360 градусов . На выходе фазового детектора установлен ФНЧ второго порядка на элементах С14,С15, R14...R16 , не имеющий , как известно , запаздывания по фазе . Дешифратор D8 используется для переключения диапазонов в трансивере . На одном из его выходов появляется уровень 5в , который можно использовать для управления транзисторными ключами , включающими диапазонные реле . На сдвиговом регистре D7 собрана схема управления ГУНами и выходными делителями . На одном из выходов G0-G4 появляется напряжение 8в используемое для питания ГУНов , на выходах 2d , 4D появляется такой же уровень , разрешающий деление выходной частоты синтезатора на 2 или 4 . Синтезатор питается от двух источников +5в на 142ЕН5 и +9в на стабилитроне Д818Е . 9-ти вольтовый источник используется для питания фазового детектора и схемы управления ГУНами .

Блок ГУН состоит из 4-х идентичных генераторов А1 - А4 , выполненых по схеме индуктивной трехточки на полевых транзисторах . Для развязки применяются эмиттерные повторители , имеющие общую нагрузку R1 , выполняющие также роль коммутатора ГУНов . На м/с D2 193ИЕ3 выполнен предварительный делитель на 10/11 ДПКД . На V4 - формирователь сигнала управления делителем . На м/с D1 - 531ТМ2 и транзисторах V1 , V2 выполнен делитель выходного сигнала синтезатора на 2 или 4 . При делении на 4 на вход 2D подается логический ноль , запрещающий работу усилителя на V2 , а на вход 4D логическая единица , разрешающая работу D1.1 . Таким образом задействуются оба триггера и частота делится на 4 . В режиме деления на 2 триггер D1.1 заблокирован логическим нулем на входе 4D , сигнал ГУН проходит через усилитель на V2 работа которого разрешена высоким уровнем на входе 2D , на вход триггера D1.2 . Таким образом сигнал на выходе VFO синтезатора делится на 2 .

В данной схеме возможно применение 3-х различных схем индикации .

Первый вариант , занимающий все 5 линий управления I0-I4 , выполнен на 555ИД7 , 176ИД2 и индикаторе Орловского производства ИБ-9 . Это 9-ти разрядный индикатор , динамического типа , имеющий цоколевку идентичную АЛС318 и символы размером около 1см . В случае отсутствия ИБ-9 можно набрать 7 одиночных индикаторов , подходящих по проводимости . В данной схеме на сегменты подается плюс , на общие выводы - минус . Второй вариант - квазистатическая индикация на 561ИР2 и индикаторах АЛС320 . Для АЛС320 разведена небольшая по габаритам печатная плата .

В данном варианте задействованы для управления только линии I2,I3 . Линия I1 используется для подключения перемычки на корпус , информирующей программу о смене типа индикации . Третий вариант - широко распространенный 10-ти разрядный ЖК индикатор со встроенной схемой управления СТ1611М10 или аналогичный ему , применяемый в АОНах . Подключение выполняется также по двум линиям управления I2,I3 . Линия I0 используется для подключения перемычки , идентифицирующий этот тип индикации . С точки зрения помехозащищенности предпочтительнее 3-й вариант . Микромощные сигналы по цепям управления практически не создают помех . Блок клавиатуры выполнен на сдвиговом регистре 561ИР2 и 6-ти нормально разомкнутых кнопках . Валкодер представляет из себя ручку , с насаженным на ось оптическим диском с прорезями . Количество прорезей может быть от 40 до 200 . В качестве оптопары можно использовать раздельные пары светодиод/фотодиод либо применить спаренный фотодиод подобный применяемым в компьютерных мышках . Управление синтезатором производится при помощи команд , подаваемых с клавиатуры и валкодера . В режиме расстройки в синтезатор подается сигнал с тангенты трансивера для обеспечения разноса частот приема и передачи . Ниже описаны команды , использующиеся для работы :[UP] - увеличение частоты
[DN] - уменьшение частоты
            увеличение и уменьшение частоты происходит на значение текущего шага
            перестройки . Шаг перестройки может быть установлен 25 , 250 или
            2500 Гц для диапазона с минимальным шагом 25 Гц и 50 , 500 или
            5000 Гц для диапазона с минимальным шагом 50 Гц . При длительном
            удержании кнопок происходит автоматическое изменение частоты .

[F],[UP],[DN],[WK] - смена шага перестройки
             После нажатия кнопки [F] первое нажатие кнопок [UP],[DN] или
              изменение положения валкодера приводит к циклическому перебору
              следующего из трех возможных шагов перестройки

[RIT] - включение , выключение расстройки
[BAND] - смена диапазона

[MEM] - VFO A,B или выбор ячейки памяти
[MEM](+2сек) - VFO <-> память
[F],[MEM]...[MEM],[F] - запись в память текущей частоты (режим VFO)
[F],[MEM] - запись в текущий VFO частоты из текущей ячейки (режим MEM)
Эта группа команд относится к работе с ячейками памяти . В данной схеме используется энергонезависимая память , позволяющая организовать 100 ячеек памяти , по 10 на каждый диапазон . На каждом диапазоне 2 из них отводятся под текущее значение частоты гетеродина (VFO A B) . Оставшиеся 8 используются как обычные ячейки памяти для запоминания различных полезных или важных частот. Деление это несколько условное и связано со способом записи и хранения информации в них . Номер ячейки памяти отображается слева от частоты в виде цифры от 0 до 9 . Специальная команда - удержание кнопки [MEM] в течение более 2 сек переключает режим работы с VFO и с ячейками памяти . В режиме работы с VFO кнопка [MEM] переключает VFO A и B , при этом номер соответственно отображает 0 или 1 . В режиме работы с памятью номер будет 2...9 . Отличие при работе в этих режимах заключается в том , что изменение частоты произведенное в процессе работы в VFO A B запоминается при смене режимов работы , смене диапазона , выключении питания , а частота записанная в ячейки 2...9 специальной командой записи является исходной при любой смене режима работы . Изменение частоты , произведенное в процессе работы никак не отражается на содержимом этих ячеек памяти . Запись в ячейки памяти производится из режима VFO . Последовательное нажатие кнопок [F],[MEM] переводит систему в режим записи частоты текущего VFO в ячейку памяти . Дальнейшее нажатие кнопки [MEM] циклически переключает номер ячейки памяти , в которую будет произведена запись . Процедура заканчивается нажатием кнопки [F] . Находясь в режиме работы с памятью ,(на индикаторе отображается номер 2..9) можно загрузить один из VFO содержимым текущей ячейки памяти нажав [F],[MEM] .
[F],[BAND] - блокирование валкодера

Остальные команды используются для начальной инициализации синтезатора во время настройки блока управления . Для того , чтобы в процессе работы случайно не изменить важные параметры настройки , доступ к этим командам осуществляется через включение питания . К примеру для изменения значения промежуточной частоты нужно выключить питание , нажать и удерживать кнопку [F] , включить питание , отпустить кнопку [F] не раньше чем через 3 сек после включения .

[MEM],PWR_ON - инициализация ПЗУ под значение ПЧ - 5 мГц
              производится автоматическое вычисление и заполнение всех
              переменных для промежуточной частоты 5.0 мГц .
              Обязательно выполняется для заполнения памяти начальными
               значениями не зависимо от применяемой ПЧ .
[RIT],PWR_ON - настройка номера диапазона , начиная с которого происходит  вычитание ПЧ из частоты гетеродина .
         band - след диапазон
         mem - запись и выход
                   на дисплее при этом отображается номер диапазона

[F],PWR_ON - настройка значения ПЧ
       мем-запись и выход
       up,dn- +/- 10 Hz
       f,band- +/- 2.5kHz
             на дисплее высвечивается значение 5 000 00 , что соответствует
             частоте 5.0 мГц . После окончания настройки кнопкой [MEM]
             производится вычисление всех необходимых переменных и запись
             в память

[BAND],PWR_ON настройка номеров ГУНов и выходного делителя
         мем-запись и выход
         band - следующий диапазон
         up - деление гетеродина
         dn - номер ГУНа
              на дисплее отображается номер диапазона (0..9), коэффициент
              деления выходного делителя синтезатора (2 или 4) , номер ГУНа
              используемого на этом диапазоне (0..3) .

После завершения команды , информация на дисплее обнуляется , процессор затормаживается . Для продолжения настройки или начала работы с синтезатором нужно выключить и снова включить питание .

Перед сборкой блока ГУН необходимо произвести расчет требуемого количества ГУНов и диапазона их работы . Исходной информацией является частотное распределение любительских диапазонов и значение промежуточной частоты трансивера . Ниже приводится пример расчета для Промежуточной частоты 5.0 мГц .Частоты любительских диапазонов :
1.8 мГц - 1.75...2.0 мГц          ;          3.5 мГц - 3.5...3.9 мГц
7 мГц - 7.0...7.2 мГц                 ;         10 мГц - 10.075...10.150 мГц
14 мГц - 14.0...14.35 мГц       ;         18 мГц - 18.068...18.168 мГц
21 мГц - 21.0...21.35 мГц       ;          24 мГц - 24.89...24.99 мГц
28 мГц - 28.0...29.0 мГц         ;           29 мГц - 29.0...29.7 мГц

На диапазонах 1.8 - 10 мГц принята работа на нижней боковой полосе , на диапазонах 14 - 29 мГц на верхней . Это значит , что частота гетеродина в первом случае будет определяться как Fгет=Fд+Fпч , во втором случае как Fгет=Fд-Fпч . Таким образом частоты гетеродина :
1.8 мГц - 6.75...7.0 мГц         ;           3.5 мГц - 8.5...8.9 мГц
7 мГц - 12.0...12.2 мГц          ;           10 мГц - 15.075...15.150 мГц
14 мГц - 9.0...9.35 мГц          ;            18 мГц - 13.068...13.168 мГц
21 мГц - 16.0...16.35 мГц      ;            24 мГц - 19.89...19.99 мГц
28 мГц - 23.0...24.0 мГц        ;              29 мГц - 24.0...24.7 мГц

В данной схеме на выходе синтезатора применяется деление частоты на 2 или на 4 . Это позволяет оптимально сгруппировать диапазоны с максимально близкими частотами гетеродина для уменьшения количества ГУНов . Ниже приведена результирующая таблица показывающая на каких частотах работают ГУНы и применяемое деление на выходе для получения требуемого значения частот .

ГУН 0
             18 мГц - 26.0...26.4 мГц     ; деление на 2
             1.8 мГц - 26.8...28.0 мГц    ; деление на 4
             10 мГц - 30.0...30.4 мГц     ; деление на 2

ГУН 1
             21 мГц - 32.0...32.8 мГц    ; деление на 2
             3.5 мГц - 34.0...36.0 мГц   ; деление на 4

ГУН 2
            14 мГц - 36.0...37.6 мГц    ; деление на 4
             24 мГц - 39.6...40.0 мГц   ; деление на 2

ГУН 3
             28 мГц - 46.0...48.0 мГц   ; деление на 2
             29 мГц - 48.0...50.0 мГц   ; деление на 2
             7 мГц - 48.0...48.4 мГц     ; деление на 4

Эта таблица содержит полную информацию для программирования синтезатора по команде [BAND],PWR_ON :

диапазон         деление          номер ГУН
1.8  0                     4                        0
3.5  1                     4                         1
7     2                     4                         3
10   3                     2                         0
14   4                     4                         2
18   5                     2                         0
21   6                     2                         1
24   7                     2                         2
28   8                     2                         3
29   9                     2                         3

Если промежуточная частота используется 5.0 мГц , достаточно выполнить команду [MEM],PWR_ON для полной настройки переменных . При другой промежуточной частоте нужно произвести расчет как показано выше и запрограммировать значение ПЧ , диапазон начиная с которого используется верхняя боковая полоса и распределение ГУНов и выходного делителя .

Настройка блока ГУН выполняется следующим образом . При монтаже блока не устанавливаются элементы С1.4 , С2.4 , С3.4 , С4.4 , L1.1 , L2.1 , L3.1 , L4.1 , R2 , R3 . При помощи кнопок устанавливается диапазон , в работе которого задействован самый высокочастотный ГУН и деление на 4 . Запаивается соответствующая катушка и конденсатор , через который варикап подключается к контуру . Вместо R2 устанавливается переменный резистор номиналом 100кОм с подключенным последовательно резистором 10 кОм . Регулировкой этого резистора нужно добиться , чтобы ВЧ напряжение на коллекторе V1 имело размах 1.5-2в , причем нижний уровень должен быть в районе 0.6-0.8 в . Это необходимо чтобы уверенно срабатывал триггер D1.1 , о чем свидетельствует наличие поделенных на 2 импульсов на вых. 5 и 6 D1.1 без помех и искажений . После этого нужно убедиться в наличии импульсов , поделенных на 10 на вых.6 D2 , а также импульсов , поделенных на 4 на вых.9 D1.2 . Если номиналы катушки и конденсатора выбраны правильно , на входе Ud должно быть постоянное напряжение в диапазоне 1-7 в . Если там присутствует переменное напряжение или постоянное с уровнем 0-0.5 в или 8 в , это говорит о том , что петля ФАПЧ находится вне полосы захвата . Если напряжение близко к 0 это говорит о том , что частота контура слишком высока . В этом случае нужно увеличить емкость конденсатора , включенного последовательно с варикапом . Емкость подстроечного конденсатора должна быть установлена в положение 50% от максимальной . Если напряжение находится в районе 8 в , нужно уменьшить количество витков катушки или емкость конденсатора . После того , как синхронизация будет достигнута , о чем свидетельствует напряжение на входе Ud в диапазоне 1-7в , подстроечным конденсатором нужно поднять напряжение до 7-7.5 в . При этом рабочая частота синтезатора должна соответствовать максимальной частоте выбранного диапазона . Емкость конденсатора , включенного последовательно с варикапом , определяет диапазон перестройки ГУН , поэтому нужно убедиться , что при перестройке частоты в пределах диапазона , напряжение на входе Ud не выходит за пределы 1-7 в . Следует помнить , что один ГУН используется на нескольких диапазонах , поэтому нужно провести проверку на всех диапазонах использующих этот ГУН и , в случае необходимости , провести коррекцию емкости и индуктивности . Это делается установкой крайних частот для этого ГУНа . Возможно при этом придется переключать диапазоны . Устанавливая диапазон регулировки напряжения на входе Ud , нужно помнить о том , что сужение этого диапазона ухудшает динамические характеристики синтезатора , а чрезмерное приближение к границам 0.5-7.5 в может вызвать срыв синхронизации при изменении окружающей температуры . Оптимальным можно считать , когда при перестройке частоты ГУНа напряжение будет находиться в пределах 1-7 в . Далее проводится регулировка R3 по аналогии с R2 . При этом устанавливается диапазон , на котором используется деление на 2 , что вызывает появление напряжения на входе 2D и блокирование D1.1 логическим нулем на входе 4D . По аналогии с вышеописанным проводится регулировка оставшихся ГУНов . В процессе регулировки нужно контролировать надежную работу усилителей на V1 и V2 . Номиналы R3 и R2 должны обеспечивать уверенное переключение триггеров D1 на всех диапазонах . Конденсатор С3 подбирается в случае несовпадения реальной частоты синтезатора и установленной , в пределах 50-250 Гц , даже при точно настроенном кварцевом генераторе в блоке управления . Емкость С3 подбирается исходя из равенства длительности импульсов на входе Pr и на коллекторе V4 . Импульсы на входе Pr появляются при установке частоты , меняющей младшие разряды . Перестраивая частоту в небольших пределах нужно добиться появления импульсов , удобных с точки зрения наблюдения , после чего произвести сравнение длительности импульсов на входе Pr и на коллекторе V4 . В случае отличия длительности , нужно подобрать номинал С3 .
Настройка блока управления заключается в проверке правильности монтажа и установке частоты кварцевого генератора . Контроль частоты производится на выв.5 D3 . Частота должна быть равна 6 000 000 Гц . Синтезатор выполнен на односторонних печатных платах 75х75 мм .

Оба блока должны быть заключены в экранирующие коробки . Межблочные соединения выполняются экранированным проводом . Особое внимание нужно уделить цепям индикации и клавиатуры . Они должны быть минимальной длины . Цепи В1..В10 можно заблокировать конденсаторами 0.01 мкФ . Размещать синтезатор нужно в отдельном отсеке трансивера , максимально удаленном от входных цепей приемника и цепей ПЧ . Питание синтезатора желательно выполнять от отдельного стабилизированного источника питания . Выполнение этих требований позволит не беспокоиться об ухудшении параметров приемника . Синтезатор выполнен на микромощном процессоре , поэтому даже полное отсутствие экранировки и расположение синтезатора вблизи приемника не вызывает особых проблем с помехами .

Дополнительную информацию , документацию в формате PCAD , программы для просмотра и распечатки документации в формате PCAD можно получить на домашней страничке http://rw6hry.qrz.ru

Евгений Александрович Попов (RW6HRY)
356350 Ставропольский кр.
с.Новоселицкое
ул Степная 3
http://rw6hry.qrz.ru
e-mail: e373 (at) aport.ru
e-mail: rw6hry (at) qrz.ru