Этот генератор предназначен для формирования сигналов двух переключаемых стабильных частот. В частности, он может быть использован в составе синтезаторов для индивидуального радиовещания при формировании как средневолновой вещательной сетки с шагом 9 кГц, так и коротковолновой с шагом 5 кГц. Но этим область его применения не ограничивается. Возможность использовать интегральные генераторы и кварцевые резонаторы на различные частоты совместно с широкими пределами изменения коэффициентов деления позволяет использовать эту конструкцию в других устройствах.
Относительная стабильность частоты генератора 0,5·10-6оС-1 в интервале температуры от -10 до +60 оС обеспечивается термокомпенсированным кварцевым генератором ГК321-ТК-К-9М-5В [1]. Предусмотрена возможность заменить его обычным кварцевым генератором на логических элементах. Однако стабильность частоты в этом случае будет хуже.
В генераторе имеется делитель частоты с переменным коэффициентом деления, задаваемым двумя переключаемыми наборами перемычек, соответствующими двум значениям выходной может быть выбран любым чётным в интервале от 2 до 512, второй - любым, кратным 4, в интервале от 4 до 1024. Коэффициент деления (выходную частоту) выбирают переключателем на два положения.
Схема генератора изображена на рис.1. Интегральный термокомпенсированный кварцевый генератор G1 (ГК321-ТК-К-9М-5В) включён по схеме, рекомендованной предприятием-изго-товителем. Дополнительно в цепи его питания установлен развязывающий фильтр из дросселя L1 и конденсаторов C1 и C5. Если перемычка S1 установлена в положение 2-3, сигнал генератора поступает на буферный усилитель на логическом элементе 3И-НЕ DD1.3, включённом инвертором.
Рис. 1.
Альтернативный кварцевый генератор выполнен на логических элементах DD1.1 и DD1.2 по схеме несимметричного мультивибратора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи. Во втором плече мультивибратора установлен простейший ФНЧ R4C7 с частотой среза, равной удвоенной частоте кварцевого резонатора, который предотвращает возбуждение этого резонатора на гармониках основной частоты. При использовании кварцевых резонаторов на другие частоты ёмкость конденсатора фильтра C7 должна быть изменена в обратной пропорции. Например, для кварцевого резонатора на частоту 4,5 МГц необходим конденсатор ёмкостью 30 пФ.
Программируемый делитель частоты выполнен на двух микросхемах параллельных синхронных двоичных счётчиков 533ИЕ10 (DD4, DD5) и двух триггерах микросхемы 533TM2 (DD3). По переполнению счётчика DD5 на его выходе переноса CO устанавливается высокий логический уровень, который приходит на вход (выв. 13) элемента DD2.1. Сигнал с выхода старшего разряда счётчика DD4 (выв. 11), поступающий на входы (выв. 1 и 2) элемента DD2.1, предотвращает десинхронизацию (накопление задержки) спадающего перепада импульса переноса, что улучшает стабильность временного положения нарастающих перепадов импульсов на выходе этого элемента и, как следствие, снижает фазовый шум выходного сигнала генератора.
Импульс с выхода элемента DD2.1 поступает на входы параллельной загрузки L счётчиков DD4 и DD5 и разрешает запись в них кодов, заранее установленных наборами перемычек S2 и S3. По очередному тактовому импульсу происходит загрузка кодов в счётчик, дальнейший счёт начинается с загруженного числа.
К примеру, если на все входы D счётчика поданы лог. 1 (высокий уровень), то в него будет записано число 255 и досчитать до переполнения ему останется лишь единицу. В этом случае коэффициент деления получится равным 256 - 255 = 1. Логические уровни на контактах 1-4 групп перемычек S2 и S3 при различных положениях переключателя SA1 приведены в табл. 1. Устанавливая перемычки между этими контактами и контактами 5-8, можно получить комбинации уровней на входах 1, 2, 4, 8 микросхем DD4 и DD5, соответствующие любым числам X от 0 до 255. Коэффициент деления получится равным N = 256 - X.
Таблица 1
Положение SA1 | Логический уровень на контактах S2, S3 | |||
1 | 2 | 3 | 4 | |
F1 | В (1) | Н (0) | В (1) | Н (0) |
| F2 | В (1) | В (1) | Н (0) | Н (0) |
На выходе делителя частоты на счётчиках DD4 и DD5 имеется дополнительный двухразрядный двоичный счётчик на D-триггерах DD3.1 и DD3.2, который увеличивает общий коэффициент деления в два или четыре раза. Если переключатель SA1 находится в положении F1 логический уровень на входах (выв. 10, 11) элемента DD2.3 низкий и сигнал с выхода триггера DD3.2 на выход F2 не проходит. В то же время уровень на входах (выв. 3, 4) элемента DD2.2 высокий, поэтому на выход F1 проходят импульсы со скважностью 2 с выхода триггера DD3.1. Они следуют с частотой F1 = Fкв/((256 - X1) - 2), где FKB - частота кварцевого генератора; Х1 - число, установленное на входах D счётчиков при переключателе SA1 в положении F1.
При переводе переключателя SA1 в положение F2 импульсы на выходе элемента DD2.2 прекратятся, а на выходе элемента DD2.3 появятся и будут следовать с частотой F2 = Fкв/((256-X2) · 4), где Х2 - число на входах D счётчиков при положении F2 переключателя. На выходе F3 независимо от положения переключателя присутствуют короткие (длительностью в один период колебаний тактового генератора) импульсы. Частота их следования меньше частоты кварцевого генератора в число раз, равное установленному в данный момент коэффициенту деления частоты счётчиком на микросхемах DD4 и DD5.
Допустим, предполагается использовать описываемый генератор в качестве источника образцовой частоты 45 кГц для синтезатора, описанного в [2]. В этом случае частоту кварцевого генератора 9000 кГц нужно поделить в 9000/45 = 200 раз. С учётом деления на четыре триггерами микросхемы DD3 получим, что коэффициент деления частоты счётчиком на микросхемах DD4 и DD5 должен быть равен 200/4 = 50. Значит, при каждом переполнении необходимо записывать в его микросхемы число 256 - 50 = 20610 = 11011102. Для этого необходимо установить перемычки в соответствии с табл. 2. Так как переключать коэффициент деления в данном случае не требуется, для установки перемычек не использованы контакты 2 и 3, логические уровни на которых зависят от положения переключателя SA1. Переключаться будут лишь выходы генератора, причём частота импульсов на выходе F1 будет равна 90 кГц, а на выходе F2 - 45 кГц.
Таблица 2
Код | 206 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
Перемычки | 8-1 | 7-1 | 6-4 | 5-4 | 8-1 | 7-1 | 6-1 | 5-4 | |
S3 | S2 | ||||||||
Если необходимо запрограммировать генератор на получение двух значений частоты, например, 10 и 36 кГц (это может потребоваться для создания синтезатора частоты с шагом сетки 5 и 9 кГц), то более низкую частоту целесообразно формировать на выходе F2, имеющем дополнительный делитель на четыре, а более высокую - на выходе F1 с делителем на два.
Для F1 = 36 кГц общий коэффициент деления 9000/36 = 250, а без дополнительного деления на два - 250/2 = 125. Число, которое следует записывать в счётчик при переполнении, - 256 - 125 = 13110 = 100000112. Для F2 = 10 кГц общий коэффициент деления 9000/10=900, а без дополнительного деления на четыре - 900/4 = 225. Число, которое следует записывать в счётчик при переполнении, - 256 - 225 = 3110 = 000111112. Положения, в которые в рассматриваемом случае нужно установить перемычки наборов S2 и S3, показаны в табл.3. Именно в этих положениях они изображены и выделены цветом на схеме рис. 1.
Таблица 3
Код | 131 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
31 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
Перемычки | 8-3 | 7-4 | 6-4 | 5-2 | 8-2 | 7-2 | 6-1 | 5-1 | |
S3 | S2 | ||||||||
Если применён кварцевый генератор на другую частоту (она может достигать 20 МГц) или необходимо получить на выходах иные значения частоты, то расчёты, аналогичные приведённым выше, придётся произвести самостоятельно и установить перемычки в соответствии с их результатами. При необходимости получить более двух значений выходной частоты и оперативно переключать их можно, применив вместо наборов перемычек два кодовых переключателя на 16 положений каждый.
Все детали генератора смонтированы на двусторонней печатной плате (рис. 2) размерами 90x35 мм из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, изготовленной по технологии с металлизированными отверстиями. Если металлизировать их не представляется возможным, то придётся выводы деталей пропаивать с обеих сторон, а в переходные отверстия впаивать отрезки лужёного провода.
Рис. 2.
Расположение деталей на плате показано на рис. 3. При использовании термокомпенсированного кварцевого генератора G1 элементы ZQ1, С7, С8, С11, R2 и R4 на неё не монтируют. Кроме того, необходимо установить две дополнительные перемычки: одну - между контактными площадками, предназначенными для конденсатора C7, а другую - между левыми по рис. 3 контактными площадками для резисторов R2 и R4, Перемычку S1 устанавливают в положение 2-3.
Рис. 3.
Если будет использоваться генератор на кварцевом резонаторе ZQ1 и логических элементах DD1.1 и DD1.2, то на плату не монтируют генератор G1, дроссель L1, конденсатор С5 и резисторы R1 и R3, а перемычку S1 устанавливают в положение 1-2. Для выводов кварцевого резонатора предусмотрены две пары контактных площадок, которые используют в зависимости от его размеров. Сам резонатор крепят на плате петлёй из лужёного провода диаметром 0,6...0,7 мм, на который надета тонкая трубка из кембрика, полихлорвинила или фторопласта. Петлю натягивают и впаивают её концы в имеющиеся на плате отверстия. Под кварцевый резонатор в металлическом корпусе необходимо подложить изолирующую прокладку из стеклотекстолита или толстого картона. Кварцевый резонатор в стеклянном баллоне следует перед установкой обмотать тремя-четырьмя слоями лакоткани.
Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ или C2-23. Конденсаторы (за исключением C10) - К10-17-1б. Оксидный конденсатор C10 - К53-18 с аксиальными выводами, который можно заменить на К50-35 с выводами в одну сторону или аналогичный импортный. Для минусового вывода конденсатора с таким расположением выводов на плате имеется дополнительное отверстие. Диод 2Д212Б можно заменить любым кремниевым с допустимым прямым током не менее 500 мА. Вместо интегрального стабилизатора КР142ЕН5А подойдёт импортный 7805. Дроссель L1 - ДМ-0,1. Выводы цифровых микросхем перед их установкой на плату необходимо отформовать согласно рис. 4 с помощью пинцета, тонких длинногубцев или специального приспособления.
Рис. 4.
В случае использования интегрального кварцевого генератора необходимо точно подобрать значение корректирующего сопротивления, образованного последовательным соединением резисторов R1 и R3. Оно должно соответствовать значению, указанному в паспорте конкретного экземпляра генератора. Точную установку частоты производят по частотомеру путём подборки этих резисторов при температуре 20 оС.
Если используются кварцевый резонатор и генератор на логических элементах, точную частоту генерации устанавливают подборкой конденсаторов C8 и C11. Подстроечные резисторы и конденсаторы специально не применяются, что исключает влияние на частоту нестабильности их подвижных контактов и повышает надёжность работы генератора.
Предлагаемая универсальная конструкция открывает возможность собрать и отладить синтезатор (для которого предназначен описанный генератор) с любым имеющимся кварцевым резонатором, после чего заказать высокостабильный интегральный генератор на точную частоту и установить его на той же плате.
Литература
1. Термокомпенсированные кварцевые генераторы ГК321-ТК-К - URL: http://www. bmg-quartz.ru/gk321_tk_k.html (24.02.14).
2. Комаров С. Средневолновый радиовещательный синтезатор частоты. - Радио, 2012, № 9, с. 19-23; № 10, с. 21-23.
Автор: С. Комаров, г. Москва