Синтезатор частоты-гетеродин УКВ ЧМ приемника
Р. Терентьев, г. Долгопрудный Московской обл.
Нестабильность частоты гетеродина — одна из главных проблем, которую приходится решать при разработке высококачественного радиоприемного устройства. В приемниках, предназначенных для работы на одной или нескольких фиксированных частотах, нужной стабильности частоты добиваются применением кварцевых резонаторов. Значительно сложнее обстоит дело, если приемник должен плавно перекрывать диапазон частот. В этом случае чаще всего используют автоматическую подстройку частоты. Однако автоподстройке свойственен недостаток, заключающийся в том, что она работает только при наличии сигнала, причем эффективность ее работы зависит от амплитуды сигнала.
Есть и еще один путь: использовать в качестве гетеродина синтезатор частоты на основе кварцевого генератора. Однако здесь возникают свои трудности. Одна из них в том, что синтезатор не может генерировать колебания любой частоты: он вырабатывает сигналы дискретного ряда частот. Выход может быть только один: сужение интервалов между соседними частотами до приемлемого значения. Вторая трудность — известная сложность синтезаторов частоты, большое число необходимых для его сборки микросхем.
Автору этих строк в известной мере удалось преодолеть обе эти трудности при разработке синтезатора частоты, предназначенного для работы в качестве гетеродина в УКВ ЧМ тьюнере. Синтезатор позволяет получить колебания частот от 60 до 69 МГц с интервалом 60 кГц.
При существующем волновом расписании УКВ ЧМ передатчиков Останкинского телецентра (интервалы между их рабочими частотами кратны 60 кГц) это полностью исключает ошибку из-за дискретности частот синтезатора. Если же интервалы между рабочими частотами передающих радиостанций будут иными, то максимальная ошибка в настройке составит 30 кГц, что, естественно, потребует соответствующего расширения полосы пропускания усилителя ПЧ.
Рис.1.
Структурная схема синтезатора показана на рис. 1. Здесь G1 — перестраиваемый, управляемый напряжением генератор (гетеродин), G2— вспомогательный генератор, стабилизированный кварцевым резонатором, U1 — делитель частоты, коэффициент деления которого можно изменять скачками, U2— фазовый детектор. Колебания ВЧ с выхода делителя U1 и генератора G2 сравниваются в фазовом детекторе, и сигнал ошибки изменяет частоту колебаний генератора GI так, чтобы она стала равной частоте настройки генератора G2, умноженнои на коэффициент деления делителя UI. Другими словами, описываемый синтезатор представляет собой систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), в цепь которой включен управляемый делитель частоты Структурная схема этого устройства приведена на рис. 2, а временные диаграммы, поясняющие его работу, — на рис. 3.
Рис.2.
Рис.3.
Рис.4.
Принципиальная схема синтезатора показана на рис. 4. Здесь перестраиваемый генератор, настроенный на частоту 20 МГц, выполнен на транзисторе V4. Частота его колебаний повышается до требуемого значения с помощью утроителя частоты на транзисторе V1. Для более надежной работы двоичного (D5—D8) и декадного (D9, D11, D12) счетчиков частота перестраиваемого генератора понижается до 5 МГц делителем частоты на триггерах D2 и D3.
Кварцевый генератор выполнен на инверторах D13.1 и DI3.2. Частота его колебаний — 500 кГц. С помощью декады D4 она уменьшается до 50 кГц. Сигнал этой частоты поступает на один из входов фазового детектора (RS-триггера), собранного на элементах D1.1 и D1.2. На другой его вход подается напряжение такой же частоты с выхода делителя частоты.
Четырехразрядный двоичный счетчик выполнен на JK-триггерах D5—D8. J и К входы использованы с целью исключения накопления задержки от заряда к разряду при делении. Ввод информации производится выключателями S1.1 — S1.4 и S2.1—S2.4 на установочные входы триггеров.
Декадный счетчик содержит три декады: D9, D11 и D12. Элементы Dl, D2 и D8, показанные на структурной схеме (рис. 2), удалось исключить, так как и декады К1ИЕ551, и триггеры К1ТК551 имеют собственные управляющие входы, на которые можно подать напряжение с выхода элемента «4И-НЕ» D10 (на рис. 2 — D7). Исключен и элемент задержки D12 (см. тот же рисунок). С этой целью импульсы счета на декаду D12 (рис. 4) подаются не с предыдущей (D11) декады, а с выхода элемента «4И-НЕ> — D10. Поэтому декада D12 начинает работать после того, как кончит считать двоичный счетчик, запущенный импульсом с выхода второй декады (через контакты кнопок Sl.l—S1.4). RS-триггер на элементах D1.3, D1.4 предотвращает влияние на декаду D12 врезки, возникающей на выходе элемента D10 при переходе со счета сотых на счет тысячных импульсов.
Колебательные контуры генератора и утроителя частоты (а также преселектора и усилителя ВЧ приемника) перестраиваются напряжением, подаваемым соответственно на варикапы V2, V3 и V5, V6 с устройства, выполненного на резисторах R25—R32 и верхних (по схеме) контактах кнопок S1.1—S1.4, S2.1—S2.4.
Работа фазового детектора поясняется эпюрами напряжений, показанными на рис. 5 (а и б — импульсы на входах детектора, в — на его выходе, г — на выходе фильтра R17C13). Из рисунка видно, что выходное напряжение изменяется в зависимости от сдвига фаз между импульсами (случаи I, II и III).
Казалось бы, напряжение с выхода фильтра R17CI3 можно непосредственно использовать для управления перестраиваемым генератором, соединив, например, их через дроссель L3. Однако делать это не следует. При малой постоянной времени фильтра R17C13 возникает паразитная частотная модуляция с частотой 5 кГц. Все дело в том, что не все паузы между импульсами, поступающими с делителя частоты, одинаковы: пауза после каждого десятого импульса оказывается длиннее остальных. Скачки фазы происходят с частотой 5 кГц. В среднем система их выбирает (но только в среднем), колебания же с частотой 5 кГц не отфильтровываются и модулируют перестраиваемый генератор. Чтобы избавиться от этого, необходимо увеличить постоянную времени фильтра R17C13, но тогда при перестройке частоты система не будет успевать входить в режим захвата.
Обойти эту трудность позволяет устройство, выполненное на транзисторе V9 и диодах V7, V8. При разных частотах сигналов на входах фазового детектора (D1.1, D1.2) возникают биения с разностной частотой, причем, в зависимости от того, на каком из входов частота сигнала выше, происходит скачок постоянной составляющей из случая II (рис. 5) в III или наоборот. Знак этого скачка используется как сигнал, указывающий, в какую сторону необходимо перестроить генератор, чтобы наступил режим синхронизации. Происходит это так. Скачок постоянной составляющей дифференцируется цепью R19C15, усиливается транзистором V9 и подается на фиксирующие цепи V7C10, V8C11. В зависимости от полярности импульса, на выходе сумматора RI4R15 создается напряжение, полярность которого такова, что генератор перестраивается в сторону уменьшения разности частот. До входа в режим синхронизации фильтр R17C13 усредняет биения на выходе фазового детектора, и последний не влияет на частоту генератора. В режиме же синхронизации исчезают биения на выходе фильтра R20C14, и генератором управляет только напряжение, снимаемое с фильтра R17C13.
Рис.5.
К числу самодельных деталей синтезатора относятся только катушки L1 и L2. Первая из них — бескаркасная и содержит 5 витков провода ПЭЛ 0,6 (диаметр намотки — 6, шаг — 1,5 мм); вторая намотана на полистироловом каркасе диаметром 11 мм с подстроечным сердечником СЦР-1 из карбонильного железа и содержит 9 витков провода ПЭЛ 0,8. Дроссель L3 индуктивностью 50 мкГ — марки Д-0,1. Для питания микросхем необходим стабилизированный источник постоянного тока напряжением 5 В, рассчитанный на ток не менее 0,25 А.
Настройку синтезатора начинают с подбора резисторов R25—R32. Указанные на схеме сопротивления получают последовательным или параллельным соединением резисторов одного номинала, заранее подобранных с помощью омметра (различие в сопротивлениях не должно превышать ±1%). Резисторы R25, R26 и R28 составляют из резисторов сопротивлением 10 кОм, a R29, R30 и R32 — из резисторов сопротивлением 100 кОм.
Далее на нижний (по схеме) вывод дросселя L3, предварительно отключенный от резисторов R14, R15 и конденсатора С9, подают напряжение 1,8 В положительной (по отношению к общему проводу) полярности. Подбором конденсаторов С2, С7, резисторов R7, R10 и изменением индуктивности катушек . L1, L2 устанавливают требуемое перекрытие по частоте генератора и утроителя частоты. Одновременно необходимо добиться того, чтобы захват частоты генератора системой ФАПЧ происходил во всем рабочем диапазоне частот (т. е. при нажатии кнопок S1.1—S1.4, S2.1—S2.4 в любых комбинациях). Индикатором захвата может служить электронный вольтметр переменного тока, подключенный к коллектору транзистора V9: при захвате напряжение на коллекторе равно нулю, а в режиме биений (захват не происходит) — примерно 2 В.
Налаживание каскада на транзисторе V9 сводится к установке режима его работы по постоянному току. Резистор R21 подбирают так, чтобы ограничение усиленного транзистором сигнала было симметричным.
В последнюю очередь подбором конденсатора С17 настраивают кварцевый генератор точно на частоту 500 кГц. Ее контролируют цифровым частотомером, подключенным к выходу декады D4.
Несколько слов о выборе промежуточной частоты УКВ ЧМ приемника с описываемым синтезатором в качестве гетеродина. Ее необходимо выбирать так, чтобы она, с одной стороны, была не более разности между частотой наиболее длинноволновой радиостанции диапазона и нижней граничной частотой синтезатора (60 МГц), а с другой —не менее разности между частотой самой коротковолновой радиостанции и его верхней граничной частотой (69 МГц).
Число n (оно равно сумме чисел, соответствующих нажатым кнопкам), которое необходимо набрать для настройки приемника на частоту выбранной радиостанции, определяют по формуле:
n = (fc-fпч)/df-1000,
где fc — частота радиостанции, МГц; fпч — промежуточная частота, МГц; df — интервал частот синтезатора (0,06 МГц).
Pадио N 6, 1978 г.