В статье предложена доработка радиоприёмника TECSUN S-2000, заключающаяся в замене опорного генератора системы ФАПЧ отдельным модулем. Это позволило существенно повысить стабильность частоты настройки. Такое техническое решение может найти применение в радиоприёмниках PL-600, PL-660, первых серийPL-880, DE-1103 и многих других.
При эксплуатации уже доработанного ранее приёмника S-2000 выявилась значительная нестабильность частоты 1-го гетеродина. При изменении температуры в интервале 0...+30 оС дрейф частоты превышает 500 Гц. Это затрудняет приём АМ с узкополосным фильтром шириной 4 кГц, так как несущая может не попасть в полосу этого фильтра, чем сильно портится качество демодуляции. Причина этого недостатка - нестабильность частоты опорного кварцевого генератора 75 кГц, входящего в микросхему ФАПЧ LC72137. Сначала я надеялся, что это можно исправить, применив прецизионный кварцевый резонатор с точностью 5 ppm, но оказалось, что заявленная точность обеспечивается только в узком интервале температур. Поэтому было решено устранить этот недостаток кардинально - установить новый опорный генератор.
Заводская схема
Схема генератора в заводском исполнении показана на рис. 1. В микросхеме LC72137 имеется логический элемент КМОП с ООС по постоянному току, которая переводит его в линейный режим. Кварцевый резонатор 75 кГц и два конденсатора превращают его в опорный генератор системы ФАПЧ. Но низкочастотные малогабаритные кварцевые резонаторы имеют множество недостатков, один из них - сравнительно большой ТКЧ, если удаляться от температуры, указанной в спецификации для малого ТКЧ (обычно 25 оС).
Рис. 1. Схема генератора в заводском исполнении
Ещё при первой доработке приёмника были установлены дополнительные конденсаторы С1 и С2, а также заменён подстроечный конденсатор 1VC1 другим, с меньшим интервалом перестройки. Но это практически никак не повлияло на температурную стабильность частоты генератора.
Резонансное сопротивление резонатора лежит в пределах несколько десятков килоом, поэтому добротность контура невысокая. В сочетании с низкой частотой это приведёт к тому, что в быстродействующем КМОП-элементе при его переключении возникает значительный фазовый шум, который проявится в выходном сигнале первого гетеродина и снизит качество приёмника.
В цепи питания микросхемы LC72137 есть недоразумение. Фильтр питания на транзисторе 1Q8 не обеспечивает фильтрацию питающего напряжения. Транзистор с эмиттерным током 5 мА работает здесь как резистор, и его динамическое сопротивление составляет всего лишь несколько ом. База через резистор 1R39 подключена к линии питания без фильтрации, и транзистор повторяет на эмиттере все помехи. Ошибочная оценка транзистора как резистора сопротивлением R=0,7 В/5 мА ≈120 Ом пробудила у разработчиков надежду, что можно подавить помехи с помощью конденсатора 1С83 большой ёмкости. Но успеха это не принесло, у транзистора "работает" дифференциальное сопротивление. К тому же напряжение питания микросхемы (около 3,4 В) получает от транзистора температурный коэффициент +2 мВ/оС. Поскольку микросхема LC72137 работоспособна при напряжении от 2,7 В, можно было бы установить эффективный фильтр или стабилизатор напряжения.
Новый генератор
Схема модуля нового генератора показана на рис. 2. Основной элемент - микросхема DA1 - термокомпенсированный ГУН (VCTCXO) со встроенным кварцевым резонатором на частоту 19200 кГц в корпусе SMD-0503-C4 (www.quartz1 .com). В интервале от -30 до +75 оС гарантируется отклонение частоты в интервале -2,5...+2,5 ppm, что на 19200 кГц допускает дрейф не более ±48 Гц. В "домашнем" интервале температур 0...+30 оС можно ожидать максимальный уход частоты ±16 Гц. В пересчёте на частоту первого гетеродина 55...85 МГц дрейф может оказаться ±(45...71) Гц. На практике дрейф оказался намного меньше, с моими готовыми модулями дрейф частоты 1 -го гетеродина приёмника составил -25...-40 Гц при изменении температуры от +30 до 0 оС. Замена резистора R1 или R3 диодом или терморезистором позволит уменьшить уход частоты практически до нуля, но для S-2000 это лишнее. Точное значение частоты устанавливают резистором R2, диапазон перестройки составляет около ±150 Гц.
Рис. 2. Схема модуля нового генератора
Делитель частоты на микросхеме DD1 делит частоту кварцевого генератора на 256 и выдаёт опорный сигнал ФАПЧ частотой 75 кГц.
Модуль питается от стабилизированного напряжения приёмника +3,9 В. Транзисторы VT1 и VT2 обеспечивают напряжением питания около 3 В с нулевым ТК все узлы модуля и микросхему ФАПЧ в S-2000. Генератор DA1 потребляет ток 1,5 мА, делитель частоты DD1 - 2 мА.
У миниатюрных кварцевых генераторов выходное напряжение может быть различным. Если попадает тип с выходом КМОП, то можно напрямую подавать сигнал на вход делителя частоты (выв. 10 DD1). Но вероятнее, это будет генератор с выходным синусоидальным напряжением 0,8 В типа "SIN 0,8 V". Такие генераторы предназначены для применения в маломощной мобильной радиоаппаратуре и напрямую не стыкуются с КМОП-микросхемами с напряжением питанием 2,7...5 В. У применённого генератора по спецификации сопротивление нагрузки должно быть не менее 10 кОм, а ёмкость - не более 10 пФ. Это связано не со "слабым" выходным каскадом, а с обеспечением уменьшения обратного воздействия на генератор. Без нагрузки (щуп с входной ёмкостью 3 пФ и сопротивлением 10 МОм) на выходе кварцевого генератора присутствует сигнал размахом 1,5 В (рис. 3), слабо похожий на синусоидальный.
Рис. 3. Сигнал на выходе кварцевого генератора
В модуле предусмотрен разделительный конденсатор С3 (на плате для него предусмотрено место), если в генераторе такого нет. Его лучше выбрать из керамики NP0, так как отрицательные свойства других материалов могут портить качество сигнала. Резистор R4 существенно уменьшает влияние ёмкостной нагрузки на генератор DA1 и улучшает работу его выходного каскада. При небольшой нагрузке выходной импеданс генератора DA1 составляет 1 кОм, и с учётом R4 он составит около 1,3 кОм.
В первой версии модуля сигнал генератора подавался на "аналоговый" вход делителя частоты 74НС4060.
Модуль работал стабильно, но со значительным фазовым шумом. Для радиоаппаратуры это не лучший вариант. Поэтому я решил использовать колебательный контур для трансформации по напряжению и использовать быстродействующий делитель серии 74АС4040.
Сигнал кварцевого генератора поступает на LC-контур L2L3C5C6C7 с коэффициентом включения L2/(L2+L3) и трансформируется к "горячей" точке до 3,5...4В (размах синусоидального напряжения). Ограничительные входные диоды внутри делителя DD1 при этом ещё не открываются. Резистивный делитель R5R6 создаёт для входа делителя частоты необходимое смещение Uпит/2.
Изготовление и налаживание
Чертёж печатной платы модуля (размеры 23x30 мм) показан на рис. 4, а расположение элементов на плате - на рис. 5. Сначала на плату монтируют все элементы, кроме резистора R11, кварцевого генератора DA1, делителя частоты DD1 и дросселей L2 и L3 (рис. 6). Применены постоянные резисторы типоразмера 0805 (можно применить и типоразмер 1206, но менее удобно паять), подстроечный - серия 3314G, фирма BOURNS, но плата сделана с резервом на многие другие варианты. Оксидные конденсаторы C9 и С10 - танталовые для поверхностного монтажа типоразмера A или B, остальные - типоразмера 0805. Транзисторы можно применить в широком спектре современные, комплементарные, универсальные, низкочастотные, с коэффициентом передачи по току не менее 100. Дроссели - ЕС-24.
Рис. 4. Чертёж печатной платы модуля
Рис. 5. Расположение элементов на плате
Рис. 6. Внешний вид платы с элементами
Надо измерить в приёмнике S-2000 фактическое напряжение питания системы ФАПЧ и подать точно такое же напряжение на плату модуля. В качестве временной нагрузки (вместо микросхем DA1 и DD1) между контактами ХТ1 и ХТЗ припаивают резистор сопротивлением 1 кОм. Подборкой резистора R11 устанавливают напряжение на этом резисторе 3 В. Подстроечный резистор R2 надо установить в среднее положение. После монтажа генератора DA1 проверяют его исправность и тип выходного сигнала. Если генератор с КМОП-выходом (сигнал с размахом 3 В), проволочной перемычкой напрямую соединяют его выход со входом делителя частоты DD1. В этом случае LC-колебательный контур не нужен, и его элементы не устанавливают. Если это не так, монтируют элементы контура(дроссели - ЕС-24, подстроеч-ный конденсатор C5 - murata TZC3 5- 20 pF N1200 SMD, остальные конденсаторы - NP0 типоразмера 0805).
Контролируя напряжение на конденсаторе С7 с помощью осциллографа или высокоомного ВЧ-вольтметра, настраивают контур на максимум сигнала (размах - примерно 180 мВ). При полном повороте конденсатора С5 должны получаться два максимума. На резонанс можно настроиться косвенно, контролируя потребляемый модулем ток. Например, измеряя напряжение на резисторе R7 (примерно 22...45 мВ.) При резонансе ток минимален (около 1,5 мА). Полный поворот ротора конденсатора С5 должен вызвать минимум два раза. Вдали от резонанса ток увеличивается почти до 3 мА.
В заключение монтируют делитель частоты DD1 и подстраивают LC-контур конденсатором С5 уже с учётом входной ёмкости DD1. Ток потребления всего модуля - 3,2...3,5 мА. Резистором R2 устанавливают частоту генератора. Лучше это делать, контролируя сигнал на выводе 9 DD1 (частота 9,6 МГц), тогда точность измерения будет выше. Готовый к установке модуль показан на рис. 7.
Рис. 7. Готовый к установке модуль
Установка и проверка
Модуль подключают в приёмнике в соответствии с рис. 8, нумерация дополнительных элементов на плате № 1 - без префикса.
Рис. 8. Схема подключения модуля в приёмнике
На плате № 1 в S-2000 надо удалить экраны узла ФАПЧ с обеих сторон. Удаляют элементы 1Q8, 1R39 и 1C83 в цепи питания LC72137, а также (аккуратно) конденсатор 1C84 (1 мкФ) из ФНЧ ФАПЧ (не повредите его выводы). Параллельно конденсатору 1VC1 устанавливают резистор R1 и затем демонтируют все штатные навесные компоненты кварцевого генератора 75 кГц на выводах 19 и 20. Прочищают освободившиеся от элементов 1Q8 и 1XT1 отверстия и протирают плату спиртом.
Новая компоновка платы № 1 показана на рис. 9. Вместо штатного конденсатора 1С83 "боком" устанавливают конденсатор 1 (танталовый типоразмера B) ёмкостью 47 или 68 мкФ. Для этого надо предварительно впаять короткие отрезки лужёного провода в отверстия. Конденсатор 2 (1С84 из ФНЧ ФАПЧ) размещают "лёжа" на площадке от штатного конденсатора 1С83. Следует отметить, что выводы конденсатора 1С84 хрупкие, их лучше лишний раз не изгибать. Конденсатор надо приклеить к плате. Устанавливают пять отрезков 3 лужёного провода диаметром 1 мм (ХТ1 - ХТ5), которые одновременно служат стойками для крепления платы модуля.
Рис. 9. Новая компоновка платы № 1
Надо предварительно примерить плату модуля (рис. 10), помещается ли он под экраном. Затем к модулю припаивают отрезки провода, идущие к контактам XT3 и ХТ4, окончательно примеряют экран, потом уже припаивают остальные провода. Затем устанавливают экран, при этом частота первого гетеродина уменьшится примерно на 10 Гц, что легко скорректировать резистором R2. Я установил при температуре +25 оС частоту 1-го гетеродина приёмника 55944,010 кГц, и при 0 оС она уменьшилась до 55943,990 кГц.
Рис. 10. Плата модуля
При проверке приёмника, скорее всего, выяснится, что при его включении ФАПЧ не выходит на нужную частоту. Это связано с тем, что после установки нового фильтра по питанию ФАПЧ "пропускает" первые посылки данных микроконтроллера, так как напряжение питания ещё не превысило 2,7 В. Для устранения этого эффекта надо ускорить рост питания ФАПЧ. Для этого устанавливают диодную сборку VD1 BAV99 (рис. 11). В установившемся режиме они ток не пропускают и не ухудшают фильтрацию.
Рис. 11. Диодная сборка VD1 BAV99
После установки модуль стал создавать в приёмнике заметные паразитные сигналы на частотах 19,2, 9,6, 4,8 и 2,4 МГц. Дело в том, что применённый делитель частоты асинхронный, и каждый триггер срабатывает с некоторой задержкой, и поэтому на линии питания частичной компенсации сигналов не происходит. Эти мощные сигналы хорошо распространяются по приёмнику. Оказалось, что линия питания к модулю на плате № 1 не блокирована конденсатором. После установки конденсатора С1 на плате № 1 (см. рис. 10) остался только слабый сигнал на частоте 19200 кГц, который слышен при отсутствии антенны и максимальном усилении. Это даже хорошо, его можно использовать для проверки приёмника. С подключённой антенной этот сигнал "утонет" в шумах эфира. На ДВ и СВ гармоники от импульсного сигнала 75 кГц не слышны.
После такой доработки я заметил более мягкую и уверенную реакцию приёмника на мощные сигналы. Нулевые биения даже при полной громкости оставались абсолютно стабильными, теперь можно принимать АМ-сигналы в режиме SSB в условиях селективного замирания несущей. Вечером на диапазоне 40 м приёмник стал более прозрачно выдавать эфирную обстановку. При перестройке частоты не наблюдается лишних переходных процессов. Очевидно, что чистое питание и качественный генератор дают результат в работе ФАПЧ и чистоте спектра.
Автор: Х. Лохни, Германия/Россия, г. Гай Оренбургской обл.