Материал публикуется с любезного разрешения автора.
Многофункциональный генератор качающейся частоты 100 кГц...2 ГГц
Описание схемы.
Александр Кравченко, Украина
E-mail: alderkra{собака}ukr.net
Январь 2005 г.
Схему ГКЧ представлена для большей простоты понимания в виде высокочастотной части рис.1, и низкочастотной части рис.2. Схема ГКЧ состоит из 13-ти блоков Б1-Б13, относящихся к высокочастотной части, и 7-ми плат П1-П7, относящихся к низкочастотной части. Межблочные и межплатные соединения и аттенюатор Б12 изображены по принципиальной схеме, а остальные блоки и платы - по функциональной.
Рис.1
С помощью переключателя В1 (рис.1) включается нужный диапазон качания - подачей питающих напряжений на один из генераторных блоков Б1-Б6. Генераторные блоки Б1-Б3 и Б4 имеют уровни выходной мощности 5...12 мВт. Они изготовлены с установленными на их выходах фильтрами нижних частот, перестраиваемыми напряжением U качания и подавляющими вторую и остальные гармоники. Б4 имеет уровень выходной мощности 8...16 мВт. На его выходе установлен фильтр второй гармоники на полосковых линиях, переключаемый с помощью p-i-n диодов.
Генераторный блок Б5 должен иметь уровень выходной мощности не менее 10...20 мВт (в моей конструкции он не разрабатывался, и не установлен). Генераторный блок Б6 0,1...60 МГц изготовлен по схеме, отличающейся от схем блоков Б1...Б5. Он состоит из двух генераторов. Первый генератор перестраивается напряжением U качания от 140 до 200 МГц. Второй генератор фиксированной частоты 140 МГц. Его частоту можно подстроить в небольших пределах, изменением опорного напряжения 1 В. По выходу генератора 140 МГц установлен электронный аттенюатор, управляемый напряжением АРМ. Пройдя через фильтры нижних частот, сигналы обоих генераторов поступают на балансный смеситель. Полученный на выходе смесителя сигнал разностной частоты, пройдя фильтр нижних частот, усиливается в усилителе, не вносящем изменений в спектр радиосигнала, до уровня мощности 5...12 мВт.
Благодаря принятым схемными решениями мерам, выходные сигналы всех генераторных блоков Б1-Б6 имеют уровень побочных спектральных составляющих менее минус 25 дБ.
После подачи питания на один из генераторных блоков Б1-Б5, вместе с высокочастотным сигналом на его выход поступает положительное питающее напряжение, открывающее соответствующий канал коммутатора Б7 для прохождения ВЧ сигнала на вход электронного аттенюатора Б8. Коммутатор Б9 имеет два входа: 0...60 МГц и >60 МГц. Если включен генератор 0...60 МГц, то +12 В поступит на контакт 4 коммутатора Б9, и откроется вход для прохождения сигнала 0...60 МГц. Если +12 В на контакте 4 отсутствует (включен один из генераторов Б1-Б5), то откроется вход для прохождения сигнала > 60 МГц. Если включен режим "выход калиброванный" (верхнее по схеме положение тумблера В2), то на контакте 3 коммутатора Б9, +12 В будет отсутствовать, и выход калиброванный коммутатора Б9 откроется для прохождения ВЧ сигнала на вход аттенюатора В12. Схема АРМ поддерживает на входе аттенюатора В12 постоянный уровень ВЧ напряжения, в результате чего выходы аттенюатора имеют калиброванные уровни мощностей. На переднюю панель прибора выведены выходы с уровнями от -20 дБ/В до -120 дБ/В. Аттенюатор Б12 имеет механически цельную конструкцию. Сопротивления его резисторов рассчитаны так, чтоб выходное сопротивления каждого звена было 50 Ом, а ослабление между двумя соседними выходами составляло 20 дБ. При расчете сопротивлений резисторов аттенюатора Б12, внутреннее сопротивление генератора в точке подключения минуса диода 2А201А принималось равным нулю. Конденсатор 0,047 мкФ установлен для развязки по постоянному току выходов аттенюатора с цепью датчика АРМ. Если же потребуется выходное сопротивление ГКЧ - 75 Ом, то сигнал с выхода аттенюатора В12, нужно снимать через переход 50-75 Ом, изготовленный, путем установки по его центральному проводу резистора сопротивлением 25 Ом. Внутренний выход аттенюатора имеет выходное сопротивление 50 Ом. Часть мощности ВЧ сигнала (с уровнем около -18 дБ/В) отводится на этот внутренний выход, и, пройдя через коммутатор Б11, поступает на формирователь частотных меток Б13 (см.рис.2). Датчиком АРМ является детекторный СВЧ диод 2А201А, подключенный к ВЧ входу аттенюатора Б12. Сигнал с выхода датчика АРМ (конт.2 Б12), в виде постоянного напряжения отрицательной полярности поступает на контакт 4 усилителя сигнала АРМ. С выхода усилителя АРМ (конт.11) сформированный сигнал АРМ с уровнем 0...1,75 В, пройдя через контакты реле в коммутаторе Б9, поступает на электронный аттенюатор Б8, или внутренний электронный аттенюатор генераторного блока Б6, для регулировки мощности ВЧ сигнала. Путем изменения величины опорного напряжения на инвертирующем входе усилителя АРМ, можно изменять уровень отрабатываемой схемой АРМ мощности ВЧ сигнала (плавно, на +/- 1 дБ - с помощью потенциометра R3, или ступенчато от +7дБ до -10 дБ - с помощью переключателей B3, В4)
Если включен выход не калиброванный (нижнее по схеме положение тумблера В2), то на контакт 3 коммутатора Б9 поступит +12 В, и выход не калиброванный коммутатора Б9 откроется для прохождения ВЧ сигнала к гнезду "Выход ГКЧ не калибр.", находящемуся на передней панели прибора . Цепь АРМ при этом будет разомкнута, и уровень ВЧ сигнала на этом выходе будет максимально возможным, пока не подключится внешний датчик АРМ. Такой режим предназначен для измерения КСВ (коэффициента стоячей волны) с использованием внешнего измерительного моста, соединенного с некалиброванным выходом ГКЧ, и имеющим внутренний датчик АРМ. Схема измерительного моста КСВ изображена на рис.1.1. При подключении сигнала с датчика АРМ измерительного моста на вход "внешний датчик АРМ", на передней панели прибора (рис.3), цепь АРМ замкнется, и на входе измерительного моста, будет поддерживаться постоянный уровень ВЧ напряжения.
Рис.1.1
К выходу Zo измерительного моста подключается образцовая коаксиальная нагрузка 50 Ом. К выходу Zx подключается измеряемый объект. С помощью детекторного СВЧ диода 2А201А, включенного между плечами моста Zx и Zo, сравнивается два ВЧ сигнала - путем вычитания одного сигнала из другого. Если амплитуды и фазы сигналов будут равны (в случае если к выходу Zx будет подключен согласованный объект), то на выходе "Отр." уровень постоянного напряжения будет равен нулю. В случае если объект, подключенный к выходу Zx, будет не согласованным, то амплитуда и (или) фаза сигнала на этом выходе будут отличаться от амплитуды и (или) фазы на выходе Zo - как следствие сложения падающей волны и отраженной. А так как амплитуды и фазы падающих волн одинаковы для выходов Zo и Zx, то, вычитая из суммарного сигнала на выходе Zx - сигнал падающей волны на выходе Zo, получим сигнал отраженной волны: (Uпад.+Uотр.)- Uпад.= Uотр. Выделенный сигнал отраженной волны в виде постоянного напряжения отрицательной полярности, поступает на выход моста "Отр.", и далее на вход УПТ - для контроля его на экране осциллографа. Обычно КСВ рассчитывают по формуле (Uпад. + Uотр.)/(Uпад.-Uотр.). Но для определения КСВ на практике не нужно измерять уровни падающей и отраженной волн, достаточно знать - на сколько децибел эти уровни отличаются. При этом КСВ можно рассчитать по формуле (((1,122)^n)+1)/(((1,122)^n)-1), где n - разница в децибелах между уровнем падающей и отраженной волны. Контроль уровня отраженной волны выполняется в положении переключателя В4 - "0 дБ". Для контроля уровня падающей волны, от выхода Zx измерительного моста нужно отключить измеряемый объект (оставить выход не нагруженным), или замкнуть выход Zx на корпус, при помощи специально изготовленного короткозамыкателя. При этом уровень отраженной волны будет равен уровню падающей. При правильно работающей схеме АРМ, уровень отраженной волны должен быть приблизительно одинаковым как при разомкнутом выходе Zx, так и при замкнутом. Определение разницы в децибелах между уровнем падающей и отраженной волны выполняется путем ослабления уровня падающей волны (с помощью аттенюатора) до ранее зафиксированного уровня отраженной. Максимальное ослабление, которое может обеспечить аттенюатор ГКЧ (с помощью переключателя В4) - 10 дБ, что соответствует наименьшему измеряемому КСВ - 1.9. Этого конечно не достаточно, но первоначально при разработке прибора не планировалось измерять КСВ. Для измерения КСВ меньших, чем 1.9, нужно доработать ГКЧ, расширивши диапазон ослабления аттенюатора до 20 дБ, тогда можно будет измерять наименьший КСВ - 1.22. Для удобства определения КСВ, составьте таблицу зависимости КСВ от ослабления. В случае измерения КСВ для объектов с волновым сопротивлением 75 Ом, нужно изготовить измерительный мост с сопротивлениями резисторов плеч Zo и Zx - 75 Ом. Для формирования частотных меток в режиме измерения КСВ, часть мощности ВЧ сигнала с измерительного моста по кабелю поступает на "вход для формирования меток" (на передней панели прибора) и, пройдя коммутатор В11, поступает на вход формирователя меток Б13 (рис.2).
Рис.2
Управление частотой ГКЧ осуществляется путем изменения напряжения, подаваемого на варикапы генераторных блоков Б1-Б6. Генератор пилообразного напряжения, находящийся на плате управления П1 (рис.2), формирует линейно возрастающее пилообразное напряжение, симметричной формы, с размахом 8 вольт. Через замкнутые контакты переключателя В10 и В11, пилообразное напряжение поступает на потенциометр R31, с помощью которого можно изменять его амплитуду, а следовательно, и полосу качания ГКЧ. Уменьшать амплитуду пилообразного напряжения можно и с помощью переключателя В11 - включением в цепь прохождения пилообразного сигнала, резистора R30. Далее пилообразное напряжение через контакт 6 платы управления поступает на не инвертирующий вход ОУ формирователя напряжения, управляющего частотой. Частота середины качания задается путем установки с помощью потенциометров R32, R34 отрицательного постоянного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход ОУ формирователя (через контакт 7 платы управления). Таким образом, на выходе формирователя (конт.10 П1) получается напряжение, изменяющееся от 1 до 30 В при перестройке частоты, с наложенным на него пилообразным напряжением, изменяющимся при изменении полосы качания. При этом суммарное напряжение будет ограничиваться сверху напряжением питания по уровню около 30 В, а нижний уровень напряжения не будет опускаться ниже 1 В.
Так как в пилообразное напряжении (на конт.4 П1) имеет симметричную форму, и в нем отсутствует постоянная составляющая, то серединой качания будет момент перехода линейно возрастающего пилообразного напряжения через 0 вольт. Формирователь метки середины качания, в момент перехода через 0 В пилообразного напряжения, выдает короткий импульс длительностью 0,5...1 мс. Если перейти на ручное качание (верхнее по схеме положение переключателя В10), то частотой можно будет управлять вращением ручки потенциометра R29 - в пределах ранее выставленной полосы качания, так как напряжение, снимаемое с потенциометра R29 изменяется в таких же пределах, как и пилообразное напряжение (от - 4 В до +4 В). Развертка осциллографа при этом продолжает работать синхронно с пилообразным напряжением. Формирователь метки ручного качания в момент совпадения величины пилообразного напряжения с напряжением, снимаемым с потенциометра R29, выдаст короткий импульс 0,5...1 мс. Этот импульс будет перемещаться по линии развертки синхронно с вращением ручки потенциометра R29, индицируя о положении частоты в пределах полосы качания. При переходе на автоматическое качание (нижнее положение В10), формирователь импульсов ручного качания не будет выдавать импульсов, так как его входы будут перемкнуты контактами переключателя В10.
Если перейти на режим "качание выкл." (нижнее по схеме положение переключателя В5), то генератор пилообразного напряжения отключится, а на контакте 4 платы управления будет присутствовать нулевой потенциал, что будет соответствует нулевой полосе качания. Следовательно, частота высокочастотного генератора в режиме "качан.выкл." будет соответствовать частоте по метке середины качания в режиме "качан.вкл.". Таким образом пользуясь кварцованными частотными метками и меткой середины качания можно с точностью до 100 кГц выставлять частоту генератора для режима "качание выкл."
В режиме генератора фиксированной частоты (качан.выкл.) доступна частотная и амплитудная модуляции. Напряжение звуковой частоты для частотной модуляции поступает с переключателя В7 (при верхнем положении В7) через частотно корректирующее звено R23, C3, переключатель В5.2 на контакт 6 платы управления, и далее на формирователь напряжения, управляющего частотой. Напряжение звуковой частоты для амплитудной модуляции снимается с переключателя В7 (нижнее положение В7) и через конденсатор С2 подается на контакт 5 усилителя АРМ, складываясь с опорным напряжением усилителя АРМ, и воздействуя на уровень отрабатываемой мощности схемой АРМ. Можно использовать для модуляции внутренний генератор 1 кГц, или внешний источник звуковой частоты. Уровень ЧМ, или АМ устанавливается потенциометром R24. При переходе в режим "качание вкл." - амплитудная модуляция будет недоступна, так как усилитель модулирующего напряжения отключится подаваемым на него с контакта 3 платы управления напряжением +18 В. Частотная модуляция будет недоступна, так как В5.2 будет в верхнем по схеме положении.
В качестве устройства наблюдения используется осциллограф. При выборе частоты развертки осциллографа я руководствовался тем, что частота должна быть как можно меньшей при допустимом для глаз мерцании. Оптимальным режимом горизонтальной развертки выбран режим - 2 миллисекунды на деление (при горизонтальной шкале 10 делений - для большинства осциллографов). Для синхронизации частоты развертки осциллографа с частотой пилообразного напряжения ГКЧ используются импульсы обратного хода пилообразного напряжения, задержанные на время 5 мс, которые с контакта 20 платы управления подаются на вход внешней синхронизации осциллографа. Известно, что при синхронизации осциллографа внешним импульсом, развертка луча начинается с момента действия импульса. При отсутствии задержки синхронизации, момент начала развертки осциллографа совпадет с началом обратного хода пилообразного напряжения ГКЧ, после которого частота ГКЧ быстро перестраивается в обратном направлении в пределах полосы качания. В этот момент возможно появление ложных частотных меток, и ложной амплитудно-частотной характеристики - при наблюдении АЧХ. Длительность обратного хода развертки (для режима осциллографа 2 мс/дел.) для разных осциллографов от 7 до 15 мс. При выборе задержки импульса обратного хода - 5 мс, момент синхронизации осциллографа происходит через 5 мс после начала обратного хода пилообразного напряжения ГКЧ. А так как длительность обратного хода пилообразного напряжения ГКЧ намного меньше, чем 5 мс, то все ложные воздействия припадут на время обратного хода луча осциллографа и станут не видимыми на экране.
В составе ГКЧ имеются два УПТ (усилители постоянного тока), выходные сигналы которых поочередно коммутируются, и их можно наблюдать на экране осциллографа одновременно в виде двух линий развертки. Возможна коммутация с частотой развертки, при которой используются импульсы обратного хода пилообразного напряжения (нижнее по схеме положение переключателя В12), и быстрая коммутация с частотой 70 кГц, при которой используется внутренний генератор с частотой 70 кГц (верхнее по схеме положение В12). Недостатком медленной коммутации является увеличение заметности мерцания луча осциллографа, и я этого режима практически не использую. При быстрой коммутации мерцание меньше, но появляется незначительная засветка между линиями развертки - крутыми фронтами коммутации сигналов УПТ. Режим работы осциллографа по вертикальному отклонению выбран экспериментально 0,5 В/дел - по наименьшей заметности фронтов переключения. Входные сигналы коммутатора - 0,75 В/дел, выходной - 0,5 В/дел. Коммутированный сигнал двух УПТ через контакт 14 платы управления, контакты кнопки KN3, поступает на вход усилителя вертикального отклонения осциллографа.
УПТ1 состоит из двух плат П2(УПТ1.1) и П3(УПТ1.2). УПТ1.1 выполнен на операционном усилителе К544УД1Б. Благодаря большой отрицательной обратной связи его коэффициент усиления по напряжению равен двум. УПТ1.1 выполняет функцию буферного элемента с большим входным сопротивлением и низким выходным. Все остальное усиление по напряжению осуществляется в первом ОУ УПТ1.2, выполненном на К544УД2А. Коэффициент усиления его в режиме "х1" -375, а в режиме "х10" - 3750. Вторая секция тумблера В17 используется для переключения коэффициента усиления УПТ1.2, а первой секцией B17 переключается режим центровки для каждого из режимов усиления. Второй ОУ (К544УД1Б) инвертирует сигнал, но не дает усиления по напряжению. На него заведены метки (конт.7 П3). Сформированный сигнал УПТ1, с наложенными на него метками, поступает с контакта 2 платы П3 на вход 1 коммутатора - контакт 16 П1. Входной сигнал УПТ1 можно уменьшать плавно - потенциометром R35, и ступенчато - переключателем В15. При нажатии кнопки KN1, удобно осуществлять центровку УПТ1 при наличии входного сигнала. Нажатием на кнопку KN2 можно проконтролировать напряжение, снимаемое с датчика АРМ. Напряжение датчика АРМ - отрицательной полярности, но так как УПТ инвертирующий, то линия развертки сместится вверх. УПТ1.1, KN1, R36, B15, KN2, R67 и R68 помещены в металлический экран.
УПТ2 тоже состоит из двух плат. УПТ2.1 играет роль буферного усилителя с большим входным сопротивлением. Его коэффициент усиления равен 12,5. УПТ2.2 состоит из двух ОУ К544УД2А и К544УД1Б. Усиление первого ОУ - 60, второй инвертирующий с усилением равным единице. Метки поступают на контакт 7 УПТ2.2. Сформированный сигнал УПТ2, с наложенными на него метками, поступает с контакта 2 П5 на вход 2 коммутатора - контакт 15 П1. УПТ2.1 и R37 помещены в металлический экран.
Амплитуды сигналов УПТ, указанные на схеме рис.2 - соответствуют размаху на осциллографе 2 делениям, при амплитуде сигналов на входах УПТ - 1 мВ, с частотой 1 кГц. Положения R36 и R37 при этом должны быть верхними по схеме, а переключатель В15 должен находится в положении 1 мВ/дел. При настройке УПТ2, переключатель В16 нужно установить в верхнее по схеме положение.
Прямоугольные частотные кварцованные метки, и внешняя частотная метка формируются в блоке Б13. Кварцованные метки получаются путем подачи на смесительный диод одновременно коротких импульсов кварцованной частоты, и высокочастотного сигнала генератора качающейся частоты. При каждом сближении частоты ГКЧ с очередной гармоникой кварцованных импульсов, появляется сигнал в виде повторяющихся кратковременных биений с разностной частотой, который усиливается усилителем с ограниченной сверху полосой пропускания, и с которого в дальнейшем формируются прямоугольные метки. Таких формирователей в Б13 четыре: для меток 100 МГц, 10 МГц, 1 МГц и 100 кГц. Прямоугольные частотные метки, сформированные в Б13, через резисторы R60...R63 поступают на контакты переключателя В19. При разных положениях В19, метки складываются на резисторе R64 в одной из комбинаций: 100 МГц, 100+10 МГц, 10 Мгц, 10+1 Мгц, 1 Мгц, 1+0,1 МГц, 0,1 МГц. Сопротивления резисторов R60...R63 подобраны таким образом, чтоб размахи меток на экране осциллографа были: 1 деление для меток 100 МГц; 0,8 дел. для меток 10 МГц; 0,6 дел. для меток 1 МГц и 0,4 дел. для меток 100 кГц. В верхнем положении тумблера В13 к частотным меткам подмешивается метка середины качания. Эта смесь меток поступает на средний контакт верхней по схеме секции переключателя В14. Метка ручного качания подается на средний контакт нижней секции В14. С В14 метки поступают на входы для меток УПТ1 и УПТ2 для последующего наблюдения на экране осциллографа. Контакты переключателя В14 соединены таким образом, что при перенаправлении меток к другому УПТ - переключением тумблера В14, метка ручного качания будет всегда подключена к противоположному УПТ по сравнению со смесью частотных меток и метки середины качания.
При формировании внешней метки в Б13, на смесительный диод подается высокочастотный сигнал ГКЧ и внешний радиочастотный сигнал. Усиленный сигнал внешней метки в виде кратковременных биений, поступает на контакт 8 блока Б13, и далее на контакт 1 усилителя внешней метки П7, в котором он усиливается до требуемого уровня. Пройдя потенциометр R58 и аттенюатор В18, сигнал внешней метки, через контакты переключателя В16 поступает на вход УПТ2.2 - для дальнейшего усиления и наблюдения на экране осциллографа.
Подстраивая размах внешней метки на экране осциллографа к 4 делениям с помощью аттенюатора В18 и потенциометра R58, и используя градуировку В18 и R58, можно измерять уровень ВЧ сигнала на входе внешней метки в дБ/В. Аттенюатор В18 и потенциометр R58 отградуированы для размаха внешней метки на экране осциллографа - 4 деления. Положения аттенюатора В18 для уровней -20 дБ/В, -10 дБ/В и 0 дБ/В не отградуированы, так как при измерении уровней сигналов больших чем 30 дБ/В, смеситель внешней метки, а возможно и усилитель внешней метки П7 - будут перегружены, а следовательно, точность измерений будет нарушена. Для измерения уровней ВЧ сигналов, больших чем -30 дБ/В, на вход внешней метки нужно устанавливать аттенюатор. А для измерения уровней меньших, чем -60 дБ/В, на вход внешней метки подключается широкополосный усилитель с известным коэффициентом усиления.
С потенциометра R58 сигнал внешней метки так же поступает на вход формирователя прямоугольной внешней метки П6. Сформированный импульс прямоугольной внешней метки отрицательной полярности размахом 15 мВ, с контакта 2 платы П6 подается на верхний по схеме контакт переключателя В18. При верхнем положении переключателя В18 прямоугольная внешняя метка поступит на вход УПТ2.2, где она усилиться до требуемого уровня и инвертируется в положительную полярность - для последующего наблюдения на экране осциллографа. Потенциометром R58 можно изменять уровень метки на входе П6, добиваясь наилучшего формирования прямоугольной внешней метки.
Рис.3