Разрабатывая этот синтезатор, авторы постарались по возможности максимально упростить его схему и конструкцию не в ущерб техническим характеристикам.
Предлагаемый синтезатор разработан в развитие интересной темы, предложенной в [1]. К сожалению, активная деятельность "золотодобытчиков" делает изготовление описанного там синтезатора затруднительным для широкого круга радиолюбителей, а при его переводе на не содержащие золота микросхемы в корпусах DIP значительно увеличиваются габариты устройства. Кроме того, для многих радиолюбителей, особенно начинающих и живущих вдали от промышленных центров, сложную проблему представляет изготовление двусторонней печатной платы с металлизированными отверстиями. Не облегчает жизнь и поиск кварцевых резонаторов с низкими и "некруглыми" частотами.
Рассматриваемый синтезатор построен по классической схеме с петлёй фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) на микросхемах структуры КМОП в корпусах, не содержащих золота, и с широко распространённым кварцевым резонатором на 1 МГц.
Основные технические характеристики
Диапазон частот, кГц......1449...1800
Шаг перестройки, кГц..............9
Число фиксированных частот ...........................40
Точность установки частоты,
Гц, не хуже....................±5
Температурный уход частоты, оС-1...................1,5·10-6
Напряжение питания, В........15...30
Потребляемый ток, мА ............50
Габаритные размеры, мм . . . .90x70x25
Структурная схема синтезатора представлена на рис. 1. Генератор, управляемый напряжением (ГУН), работает на той же частоте, которая поступает на выход. Устойчивость к наводкам обеспечивается тем, что частотозадающие цепи этого генератора не содержат катушек индуктивности, а сам он практически целиком находится внутри одной микросхемы.
Рис. 1
Формирователь импульсов (ФИ) имеет однотактный мощный выход с открытым стоком и допустимым напряжением до 200 В. Для оптимального согласования с нагрузкой в формирователе предусмотрена возможность регулировки длительности выходных импульсов.
Образцовый сигнал частоты сравнения 100 Гц получается делением частоты кварцевого генератора (КГ) 1 МГц на 10000. Столь низкой эта частота выбрана по той причине, что в спектре выходного сигнала синтезатора неизбежно присутствуют составляющие, отстоящие на её значение от основной выходной частоты. Если в связной аппаратуре с этим можно мириться, то для вещательного передатчика наличие спектральных составляющих, создающих при амплитудном детектировании сигналы звуковых частот, недопустимо. Поэтому частоту сравнения необходимо выбирать в надтональной или подтональной области. В нашем случае принят второй вариант, поскольку 100 Гц легко подавить последетекторным фильтром приёмника, не ухудшая качества принимаемых речевых и музыкальных сигналов.
Частотно-фазовый детектор (ЧФД) сравнивает образцовый сигнал 100 Гц с сигналом такой же (в режиме захвата) частоты, полученным делением частоты ГУН сначала на 9, а затем с помощью делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) на 1610-2000 в соответствии с заданным значением выходной частоты. В зависимости от знака рассогласования сравниваемых сигналов по частоте и фазе ЧФД вырабатывает управляющий сигнал, увеличивающий или уменьшающий частоту ГУН. Управляющее напряжение поступает на ГУН через пропорционально-интегрирующий фильтр (ПИФ), оптимизирующий динамические характеристики петли ФАПЧ.
Предварительное деление частоты ГУН на 9 продиктовано двумя причинами. Во-первых, это требуется для получения сетки частот с шагом 9 кГц. Во-вторых, микросхема КА561ИЕ15А, применённая в ДПКД, имеет максимальную рабочую частоту 1,5 МГц.
Рис. 2
Принципиальная схема синтезатора изображена на рис. 2. Все применённые в нём цифровые микросхемы - структуры КМОП малой и средней степеней интеграции. Микросхемы серий К561 и КР1561 работоспособны на частотах до 2...3 МГц при напряжении питания 3...15 В. Потребляемый ими в динамическом режиме ток не превышает единиц миллиампер.
КГ выполнен на микросхеме DD1. Подстроечным конденсатором C4 устанавливают частоту генерации 1 МГц с точностью не хуже 1...2 Гц.
Для получения образцового сигнала частотой 100 Гц импульсы с выхода КГ поступают на вход С двоичного счётчика DD4. Применённая здесь микросхема К561ИЕ16 представляет собой 14-разрядный двоичный счётчик. Необходимый коэффициент деления 10000 получается с помощью логического узла 5И на диодах VD3-VD7 и резисторе R7. Когда в процессе счёта на всех выходах счётчика, к которым подключены диоды, высокие логические уровни будут присутствовать одновременно, на его входе R уровень также станет высоким, что установит счётчик в исходное нулевое состояние, затем процесс подсчёта импульсов повторится. Коэффициент деления при показанном на схеме подключении диодов получается равным Кд = 16+256+512+1024+8192= 10000.
ГУН и ЧФД находятся в микросхеме DD2 КР1561ГГ1. Крайние значения частоты диапазона перестройки ГУН задают резисторами R1, R2, C1. Перестраивают частоту напряжением на входе IG (выводе 9 микросхемы).
Исходные данные для выбора указанных выше элементов - диапазон частот синтезатора 1,449.1,8 МГц и разброс параметров ГУН, который от экземпляра к экземпляру микросхем может доходить до 20 %. Таким образом, необходимо иметь запас по перестройке не менее 0,36 МГц. С некоторым запасом будем считать, что ГУН должен перестраиваться в диапазоне 1.2,2 МГц. Нижнюю границу этого диапазона (при нулевом напряжении на входе IG) устанавливают резистором R2, верхнюю границу (при управляющем напряжении, равном напряжению питания) - суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2. Работу ГУН разрешает низкий логический уровень на входе INH (выводе 5).
ЧФД имеет два входа IC и IS (выводы 3 и 14) и выход Q1 (вывод 13). Сигнал рассогласования с выхода Q1 через ПИФ R4R3C2 поступает на управляющий вход ГУН IG.
ПИФ - весьма критичная часть петли ФАПЧ. Расчёт этого фильтра в общем виде довольно сложен и требует знания теории автоматического управления [2]. Для радиолюбительской практики вполне удовлетворительные характеристики обеспечиваются расчётом с использованием соотношений, приведённых в справочных материалах по микросхеме MC14046B - зарубежному аналогу КР1561ГГ1:
где N - коэффициент деления рабочей частоты в петле ФАПЧ; fmax и fmin - граничные частоты перестройки ГУН; 3000 Ом - выходное сопротивление ЧФД.
С выхода ГУН сигнал рабочей частоты поступает на ФИ и делитель частоты на 9. Последний выполнен на микросхеме DD5 К561ИЕ14 и элементе DD3.1 микросхемы К561ЛН2.
Четырёхразрядный реверсивный счётчик К561ИЕ14 может работать как двоичный (на входе B высокий уровень) или как десятичный (на входе B низкий уровень). Направление счёта задают уровнем на входе U: высокий - увеличение, низкий - уменьшение. На вход C подают счётные импульсы, причём состояние счётчика изменяется по их нарастающим перепадам. Счёт разрешён при низком уровне на входе PI.
Вход S позволяет асинхронно записывать в триггеры счётчика любой восьмиразрядный код с входов D1-D8. Поскольку счётчик отдельного входа начальной установки не имеет, эту функцию выполняет вход S при низких уровнях на входах D1-D8 (в режиме счёта на увеличение). На выходе переноса появляется низкий уровень, когда в режиме счёта на увеличение накопленное число стало максимальным (или минимальным в режиме счёта на уменьшение).
В нашем случае счётчик работает на увеличение в десятичном режиме. При поступлении десятого импульса сигнал с выхода переноса через инвертор DD3.1 принудительно устанавливает счётчик в нулевое состояние.
С выхода 4 счётчика сигнал поступает на ДПКД - микросхему DD6 КА561ИЕ15А. У неё имеются вход счётных импульсов С, четыре управляющих входа K1, K2, K3, L, шестнадцать входов 1-8000 для установки коэффициента деления и один выход. Коэффициент деления может находиться в интервале 3-21327, причём предусмотрено несколько способов его установки. В синтезаторе использован наиболее простой и удобный способ - коэффициент задают двоично-десятичным кодом, поданным на входы 1-8000. При этом, однако, максимально возможное его значение - 16659.
Чтобы воспользоваться этим способом, на входах K1 и L должны быть установлены разные логические уровни (низкий и высокий или высокий и низкий), а на входе K3 - низкий уровень. Вход K2 служит для установки счётчика в начальное состояние, которая происходит при низком уровне на этом входе за три периода счётных импульсов. При высоком уровне на нём счётчик работает в режиме делителя частоты.
Нужные уровни на входах 1-8000 задают галетными переключателями SA1 и SA2. Их контактам, соединённым с общим проводом, соответствуют низкие уровни на соответствующих входах микросхемы, а свободным - высокие (их поддерживают резисторы R8-R15).
ФИ позволяет установить длительность выходных импульсов, оптимальную для подключённой к синтезатору нагрузки, например, выходного контура без промежуточных усилителей (как в передатчике, схема которого приведена в [3]). ФИ построен на логических инверторах DD3.2-DD3.6, диоде VD2, подстроечном резисторе R6, транзисторах VT1-VT3. Эмиттерный повторитель на транзисторах VT1 и VT2 уменьшает длительность зарядки и разрядки ёмкости затвора полевого транзистора VT3, увеличивая этим скорость его включения и выключения. Зарядка входной ёмкости элементов DD3.3-DD3.6 происходит быстро через малое динамическое сопротивление диода VD2, а разрядка - сравнительно медленно через подстроечный резистор R6. Длительность разрядки, а за счёт этого и длительность формируемого импульса зависят от введённого сопротивления резистора R6.
О конструкции и налаживании синтезатора
Синтезатор выполнен на односторонней печатной плате толщиной 1,5 мм (рис. 3).
Рис. 3
Она изготовлена методом термического переноса рисунка проводников на поверхность фольги с его распечатки на лазерном принтере. Номера монтажных отверстий на плате, предназначенных для проводов, идущих к переключателям, совпадают с номерами проводов жгута на схеме. В эти отверстия, а также в те, которые предназначены для проводов питания и нагрузки, желательно установить монтажные штыри. Транзистор VT3 и стабилизатор напряжения DA1 находятся на общем теплоотводе (не забывайте смазать их посадочные места теплопроводной пастой КПТ-8), изготовленном из алюминиевого листа по чертежу, показанному на рис. 4. Транзистор VT3 необходимо устанавливать на теплоотвод через изолирующую прокладку. Длинное плечо теплоотвода зафиксировано на плате проволочным хомутом.
Рис. 4
Постоянные резисторы - МЛТ или аналогичные. Подстроечный резистор R6 - СП3-38а. Конденсатор C2 (это может быть, например, К73-24) должен быть с органическим диэлектриком. Конденсатор C4 - подстроечный КТ4-24. Конденсаторы C1, C3, C7-C10 - любые керамические подходящего размера. Оксидные конденсаторы также любые, подходящие по размеру и номинальному напряжению.
Рис. 5
Микросхему КА561ИЕ15А можно заменить на 564ИЕ15, но она, к сожалению, дороже, так как содержит золото. Именно такая микросхема установлена в синтезаторе, изображённом на фотоснимке рис. 5. Вместо К561ЛА7 будет без изменения схемы и платы работать К561ЛЕ5. Транзисторы VT1, VT2 - любые маломощные кремниевые соответствующей структуры.
Переключатели SA1 и SA2 - П2Г-3 соответственно 4П4Н и 10П4Н или любые другие галетные, подходящие по числу положений и направлений. Кварцевый резонатор - РГ-06 или РК170.
Безошибочно собранный из заведомо исправных элементов синтезатор не требует налаживания, необходимо лишь выставить подстроечным конденсатором C4 частоту кварцевого генератора с точностью ±2 Гц. Её контролируют на выводе 11 микросхемы DD1. Подстроечным резистором R6 добиваются получения максимально неискажённого сигнала несущей на эквиваленте антенны.
Литература
1. Комаров С. Средневолновый радиовещательный синтезатор частоты. - Радио, 2012, № 9, с. 19-23; № 10, с. 21 -23.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ. под ред. М. В. Гальперина. - М.: Мир, 1993. В 3-хтомах (4-е изд., перераб. и доп.).
3. Комаров С. Маломощный радиовещательный средневолновый АМ передатчик. - http://www.cqf.su/technics5-1.html.
P.S. В передатчике с усилителем мощности плату синтезатора необходимо хорошо экранировать для предотвращения наводок на ГУН, способных привести к сбоям работы ФАПЧ.
Автор: Е. Голомазов, М. Доуталиев, Б. Канаев, г. Бишкек, Кыргызстан