RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/radiofan_technology/dual_narrowband_vco_frequency_response_quartz_filters_part1.html

Двухканальный узкополосный ГУН для настройки АЧХ кварцевых фильтров (часть 1)

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 приёмника. 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 её 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 надёжно 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

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 распространённые значения частоты ПЧ в различных радиоприёмных 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

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 ёмкостной 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), ещё и нечётные гармоники (2n+ 1)F₁, где n = 1, 2, 3.... На практике подавление чётных гармоник может достигать 40 дБ без применения особых мер, а чтобы получить подавление до 60 дБ, придётся 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 чётных 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 чётных 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 ёмкостями 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 трём (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 нечётных гармоник сигнала, вплоть до седьмой. Более высокие уже сильно ослаблены, и их выделение потребовало бы сложных фильтров и усилителей. Вторую и четвёртую 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 приёмнике "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 определённую 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 включён 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

Ещё 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, трём или четырём. 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

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 ёмкости 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 (радиоприёмники 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.

В следующей части статьи будут приведены подробное описание схемы устройства и некоторые конкретные примеры его комплектации для работы на часто встречающихся ПЧ в радиолюбительских РПУ

Окончание следует

Автор: Хайо Лохни, Германия/Россия, г. Гай Оренбургской обл.