Простой по конструкции, синтезатор частоты для любительской радиостанции
При разработке данной конструкции ставилась задача - создать простой по конструкции синтезатор c качественными характеристики. При этом он выполнен на доступной и не дорогой элементной базе. Также автор преследовал как основную цель, это функциональность управления синтезатором, то есть простота и логичность управления, при работе в составе радиолюбительского трансивера. Многие функции управления составлены таким образом, чтобы облегчить управление синтезатором, и делают работу по его управлению более логичной и понятной.
Синтезатор предназначен для использования в качестве плавного гетеродина любительской коротковолнового трансивера на всех девяти КВ диапазонах с фиксированной первой ПЧ. Шаг перестройки на всех диапазонах постоянный, и его можно выбирать в приделах 10 – 1850 Гц.
Синтезатор имеет возможность включать расстройку как частоты передачи относительно частоты приема, так и наоборот, при чем частоты могут быть выбраны на разных КВ диапазонах. Таким образом, осуществляется так называемый режим “Crossband”. Синтезатор имеет возможность запоминать в десяти ячейках памяти не только установленную частоту, но и установленный режим управления в трансивере, на данной частоте.
При включении синтезатора устанавливается частота и режимы управления трансиверов в зависимости от данных занесенных в нулевую ячейку памяти. При помощи данной функции, можно на свое усмотрения выставить стартовые установки частоты и режимов трансивера. Есть возможность выставить любую частоту ПЧ для режима “преобразования вниз” в широких пределах. Так же есть возможность коррекции частоты опорного генератора синтезатора. Информация о работе синтезатора отображается на двух строчном ЖКИ на 16 символов с подсветкой. Индикация установленной частоты отображается с точностью до 10 Гц.
Синтезатор выполнен по одно петлевой схеме, где на фазовом компараторе (микросхема CD4046BE) происходит сравнения частот ГУН, предварительно поделенной по частоте на 256, и выходной частоты с микросхемы с прямым синтезом частоты (DDS AD9832) под управлением микроконтроллером ATMEGA8. В синтезаторе осуществлена возможность работы синтезатора совместно с персональным компьютером по системе САТ через интерфейс RS232. Тестирование синтезатора проводилось при использовании программы Mwix2 с установками – ICOM-756-PRO-11, скорость обмена 9800 бит. При этом осуществляется двух стороннее управление частотой и родом работы между трансивером и ПК. Конструкция синтезатора выполнена на двух платах. На одной плате находиться клавиатура, узел индикации на ЖКИ и формирователь импульсов валкодера, а на другой - цифровая часть и ГУН. Все печатные платы, разрабатывались для возможности их выполнения в домашних условиях, при помощи так называемой «утюжной» технологии. При определенной аккуратности выполнения печатной платы, трудностей с распайкой микросхемы AD9832 (расстояние между соседними ножками микросхемы составляет 0.65 мм!) не возникало.
Работа синтезатора понятна из его функциональной схемы.
Где:
- CLK – опорный кварцевый генератор на 16МГц.
- DDS – микросхема AD9832 формирующая сигнал с частотами 250-300кГц.
- ФНЧ – фильтры низкой частоты.
- ФД – фазовый детектор.
- VCO – генератор управляемый напряжением Upll (ГУН), поступающим на варикап.
- Делители 1/256 – делители частоты на.
- МК - Микроконтроллер ATMEGA8 – 16PI
- СAT интерфейс – интерфейс связи синтезатора с ПК MAX232
На первый вход фазового компаратора (CIN), в качестве которого используется микросхема CD4046BE в типовом включении при ее питании от стабилизированного источника с уровнем 9 вольт, поступает сигнал с единственного генератора управляемого напряжением (ГУН), предварительно поделенного по частоте на 256 при помощи двух микросхем 74AC161 включенными последовательно. Здесь возможен вариант схемы, с применение в качестве делителя, одной отечественной микросхемы 193ИЕ6, сигнал на выходе которой гораздо чище, чем при применение линейки на двух микросхемах 74AC161.
Светодиод HL1, индицирует отсутствие захвата (LOCK) в петле фазовой автоподстройки частоты. Если он горит, то это говорит о том, что в петле ФАПЧ нет захвата.
В качестве микросхемы прямого синтеза частоты была выбрана микросхема AD9832 или AD9835 от фирмы «Analog devices». www.analog.com Данная микросхема одна из самых дешевых в этой линейке, и вполне удовлетворяет нас по своим показателям, так как ей придется синтезировать относительно низкую частоту, в пределах 250 – 300 КГц. Микроконтроллер ATMEGA8 управляет работой микросхемы DDS. А микросхема AD9832, осуществляет прямой синтез частоты (Direct Digital Synthesis), с выхода которой (вывод №14) выдаётся синусоидальный ВЧ сигнал частотой в пределах от 250 до 300кГц. Который пройдя через фильтр нижних частот пятого порядка с полосой среза 400 КГц и усиленный транзистором КТ315Г до уровня 1 вольт (эффективное значение) поступает на второй вход фазового компаратора (SIN). Управление микросхемой DDS осуществляется микроконтроллером по шинам PC5 – сигнал FSYNC, PC4 - SDATA, PC3 – SCLK по специальной программе.
Сигнал ошибки с фазового компаратора, пройдя через пропорционально – интегрирующий фильтр, поступает на реактивный элемент ГУН, в качестве которого, использован варикап КВ132 слабо связанный с колебательным контуром через конденсатор С33 номиналом 24 пф, что улучшает шумовые характеристики синтезатора. ГУН выполнен по схеме индуктивной трех точки на двух затворном полевом транзисторе BF966. Который показал себя наилучшим образом в данной схеме, но его можно без заметного ухудшений параметров схемы, заменить на отечественный транзистор КП327, или при незначительном изменении схемы применить КП307Г. Для получения необходимого диапазона выходных частот для девяти диапазонов КВ трансивера при применении в нем частоты ПЧ в пределах 9 – 5 МГц, частота ГУН изменяется ступенчато, способом подключения при помощи электронной коммутаций к его колебательному контуру в определенной комплекции, трех подстрочных конденсаторов. А также выходная частота синтезатора зависит от выбранного коэффициента выходного делителя выполненного на микросхеме DD6 74AC161.
Предварительно следует просчитать коэффициенты делителя выходной частоты синтезатора и подключаемых конденсаторов к ГУН, и ввести их в память МК. Расклад коэффициентов выходного делителя частоты синтезатора и подключаемых конденсаторов к ГУН, для распространенной частоте ПЧ 8860 КГц можно взять из таблицы на рисунке №2.
На разъеме J7 OUT присутствует частота ГУНа деленная счетчиком DD6 74AC161 на 2, или на 3, 4, …9, в зависимости от выбранного диапазона. Код, поступающий из регистра DD5.1 4015 (561ИР2) на входы A, B, C счетчика, определяет коэффициент деления.
Выходная частота синтезатора в два раза выше необходимой для смесителя трансивера, это сделано из предположений, что в трансивере, для получения противофазного напряжения для смесителя, будет использована микросхема 74AC74, на выходе которой получается противофазный и поделенный по частоте на два, сигнал синтезатора. В качестве индикатора используется русифицированный двух строчный, шестнадцати символьный жидкокристаллический индикатор. Автор в своей конструкции использовал ЖКИ SC1602CSLB-XH-HS-R от фирмы «SUNLIKE DISPLAY». Можно использовать и другой двух строчный ЖКИ на 16 символов, совместимый с контроллером HD44780 фирмы Epson (EH по маркировке Powertip).
В качестве валкодера можно использовать любое устройство, которое способно формировать на двух выходах, сдвинутые по фазе на 90 градусов сигнал с уровнем ТТЛ. И при этом выдавать 60 -100 импульсов на один оборот. После многих экспериментов, автором был применен в качестве валкодера, шаговый двигатель от старых 3 дюймовых дисководов с применением в качестве схемы формировании импульсов микросхему LM358. Валкодер достаточно качественно работает при разных скоростях вращения ручки настройки трансивера и ни требует сложных слесарных работ в его изготовлении.
Всем синтезатором управляет не дорогой, но довольно мощный микроконтроллер ATMEGA8-16PI. В качестве задающего генератора использован интегральный генератор «H. S. C. 5G 16.000 MHz HSO-3F000». В конструкции возможно использование и другого интегрального генератора, с близкой по выходной частоте, а так же выполненном в другом корпусе, для этого понадобиться не значительная коррекция рисунка печатной платы. В функциях управления синтезатором, заложена возможность, корректировать частоту опорного генератора в широких приделах.
Кнопки управления синтезатором, их всего 18. (Рисунок №3) 12 кнопок объединены в поле, и служат для непосредственного управления синтезатором, и оставшиеся 6 кнопок - К4, К18, К8, К9, К10 и К14 , которые могут быть расположены в любом месте на передней панели трансивера –служат для переключения режимов в ТРХ. Кнопки для управления режимов работы трансивера работают квазисенсорно, т.е. кнопки без фиксации – чтобы включить режим нужно нажать на кнопку, повторным нажатием происходит выключение выбранного режима. Для того чтобы понять включен режим или нет – возле каждой кнопки расположен светодиод, который своим свечением, показывает включение выбранного режима. Значение включаемого режима этими кнопками, на свое усмотрение, радиолюбитель может назначить сам, за исключением кнопок К18 (включение режима CW) и кнопки К4 (реверс боковой полосы).Кнопки управления частотой синтезатора имеют несколько функций. Основную функцию определяет надпись возле кнопки, дополнительно каждой кнопке присвоена цифра, девяти кнопкам диапазоны и некоторые кнопки имеют ещё и подфункцию в «Меню» о которой речь пойдёт ниже. Кнопка К18 служит для управления включения режимами CW в трансивере. При ее включении предполагается включение CW фильтра в трансивере и всех соответствующих режимах (в авторском трансивере происходило выключение формирования SSB сигнала, микрофонного усилителя).Также при ее нажатии по каналу CAT происходит передача команды в компьютер о смене режима работы трансивера. (при работе трансивера совместно с компьютером при использовании программ поддерживающих обмен по CAT).Так же происходит смена боковой полосы трансивера при нажатии кнопки К4 (реверс боковой полосы) и передачи команды по каналу CAT о смене боковой полосы. При чем автоматически отслеживается применяемый диапазон, то есть если включен режим реверс боковой полосы, то при смене диапазона к примеру с 20 метров (включена нижняя боковая полоса) при переходе на диапазон 80 метров, будет включена верхняя боковая полоса.
Описание кнопок управления синтезатором.
В описании кнопок первым идёт название её основной функции, т.е. то, что произойдёт при первом её нажатии, вторым идёт присвоенная цифра, третьим присвоенный диапазон при входе в функцию «BAND» и четвёртым, обозначение на принципиальной схеме.
ESC, К3 – при нажатии данной кнопки, можно выйти из любого режима в первоначальное состояние, и отменить не набранные до конца установки.
BAND,"0", 1.9 МГц, K7 - переключение диапазонов. При первом нажатии на кнопку, на индикатор выводится надпись – “ Band >> ? “ и после нажатия на соответствующую кнопку устанавливается середина выбранного диапазона. Кнопкам присвоены следующие КВ диапазоны: К6 – 1.9 MГц, К2 – 3,5 MГц, и так далее.
RIT,"5", 14.0, K17 - включение растройки. При нажатии кнопки “RIT”, на индикатор выводиться надпись
“RIT >> Tx or Rx”, предлагающая выбрать расстройку приемника или передатчика. Если при включении расстройку нажать на кнопку “Step”. То будет выбрана расстройка частоты передатчика относительно частоты приемника. Если нажать кнопку “Freg”, будет включен режим расстройку частоты приемника относительно частоты передатчика. При включенной расстройте, в нижней строчки ЖКИ, выводиться частота передачи или приема, в зависимости от рода выбранной расстройку. Изменять частоту можно как ручкой валкодера, так и при помощи кнопок “Up” или “Down”, вводя величину необходимой расстройку.
Также возможно выбрать в качестве рассройки, частоту другого КВ диапазона, при помощи кнопки “Band”. Тем самым обеспечиваются режимы SPLIT и CROSSBAND.
FREQ,"6", 18, K16 – режим непосредственного набора частоты с клавиатуры. При нажатии на клавишу “Freg” на ЖКИ выводиться надпись – “ Frg = ??.??? MHz”. Набирая частоту с клавиатуры, нет необходимости вводить частоту до последнего знака, если точность набранной частоты вас уже устраивает, и она попадает в отведенные рамки выделенных частот для радиолюбителей, то далее следует нажать кнопку “Step” и трансивер будет перестроен на выбранную вами частоту. Если выбранная вами частота будет находиться за пределами разрешенных участков для радиолюбителей, синтезатор предложит вам повторно ввести частоту, если вы решили выйти из режима набора частоты с клавиатуры. вам просто следует нажать клавишу “Esc”.
STEP, К13 – При нажатии на эту клавишу выбирается режим выбора шага перестройки в интервале 10 -1280 Гц. Шаг перестройки можно изменять как при помощи клавиш “Up” и “Down”, так и при помощи ручки валкодера. Для ввода и запоминания в энергонезависимой памяти МК новых значений шага перестройки, достаточно нажать любую кнопку управления синтезатором.
UP, «4», 10, К5 – при нажатии этой кнопки, происходит увеличение частоты с выбранным шагом перестройки.
Данным режимом можно пользоваться как при непосредственном управлении частотой синтезатора, так и при осуществлении установки частоты опорного генератора и частоты ПЧ. Если после того как была нажата кнопка “Up”, одновременно нажать и клавишу “Down”, скорость изменения частоты - увеличиться в 4 раза, этот режим удобно использовать при необходимости быстрой перестройки частоты по диапазону.
DOWN “9”, 28.5, К15 – при нажатии этой кнопки, происходит уменьшение частоты с выбранным шагом перестройки.
Данным режимом можно пользоваться как при непосредственном управлении частотой синтезатора, так и при осуществлении установки частоты опорного генератора и частоты ПЧ. Если после того как была нажата кнопка “Down”, одновременно нажать и клавишу “Up” , скорость изменение частоты во времени увеличиться в 4 раза, этот режим удобно использовать при необходимости быстрой перестройки частоты
По диапазону.
PUSH ,"2", 3,5, К2 - сохранение текущей частоты и состояние 6-ти кнопок управления трансивером в одну из 10 ячеек памяти. При нажатии на кнопку, на дисплей выводится надпись “VFO >> Memory CH=?”, и ожидается нажатие кнопки с соответствующим номером ячейки. После ввода номера на индикаторе вместо знака «?», появится номер выбранной ячейки. В ячейке 0 хранится информация, используемая для установки начального состояния синтезатора при включении питания, т.е. можно в неё занести желаемые значения, например, шага перестройки и включения какого-либо режима в ТРХ, частоту на которую перейдёт синтезатор при включении питания трансивера.
POP ,"3", 7.0, К1 - устанавливает частоту и состояние управления трансивером из одной из 10 ячеек памяти. При нажатии на кнопку, на дисплей выводится надпись – – “Memory >> VFO CH=?”. и ожидается нажатие кнопки с соответствующим номером ячейки. После ввода номера на индикаторе вместо знака «?», появится номер выбранной ячейки, и трансивер перестраивается на частоту, которая была занесена предварительно в выбранную ячейку, а также устанавливаются режимы управления трансивером, в зависимости от сохраненных установок в памяти выбранной ячейки.
SEL ,” 7”, 21, К12 - При первом нажатии этой кнопки, на ЖКИ появиться надпись – “Select XTA or IF”., предлагающая выбрать режим калибровки частоты ПЧ или опорного генератора синтезатора.
Если нажать кнопку “Freg”, на ЖКИ дисплей выводится частота опорного генератора и появляется возможность, калибровки частоты опорного генератора синтезатора, которую предварительно нужно измерить при помощи промышленного частотомера. Частоту можно изменять при помощи вращения ручки валкодера или нажатия кнопок “Up” или “Down” при предварительно необходимом выбранном шаге перестройки. Для занесение частоты опорного генератора синтезатора в энергонезависимою память микроконтроллера и выход из режима. Необходимо нажать кнопку “Step”, после чего на одну секунду будет выдана подтверждающая надпись на ЖКИ – “Memorize Set” и выход из режима коррекции.
Для ввода режим установки промежуточной частоты трансивера, необходимо после нажатия кнопки “SEL” , и появлении на ЖКИ надписи -“Select XTA or IF”, нажать кнопку “DC”. На дисплее появляется текущая введённая промежуточная частота трансивера (по умолчанию начальная частота в программе 8860 КГц) далее необходимо при помощи вращения ручки валкодера или нажатия кнопок “Up” или “Down” изменить ее на требуемую. Для запоминания частоты ПЧ в энергонезависимою память микроконтроллера и выход из этого режима, необходимо нажать на кнопку “Step”, после чего на одну секунду будет выдана подтверждающая надпись на ЖКИ – “Memorize Set” и выход из режима коррекции.
DC , “8”,24, К11 - При нажатии на эту кнопку устанавливается режим по вводу коэффициента делителя частоты ГУН и количество подсоединяемых к ГУН подстроечных конденсаторов. При этом на ЖКИ в нижней строчке появляется надпись – “Divisor=? Cond=?”, а в верхней строчке ЖКИ “Band >> 1,9 MHz”, диапазон, для которого будут вводиться коэффициент деления и код подключаемых конденсаторов. После этого, в зависимости от раннее выбранных данных согласно таблицы. Следует ввести коэффициент деления частоты ГУН при помощи нажатия соответствующей кнопки на клавиатуре. После этого, на ЖКИ вместо знака - “?” появится введенная цифру. После этого необходимо ввести код подключаемых конденсаторов из условия:
Код цифры, это какой и сколько подстроечных конденсаторов подключиться к ГУНу. “0”- ни один из них не подключен. “1” - подключен С10, “2” - подключен С11, “3” - подключены С10 и С11, “4” - подключен С12, “5” - С10 и С12, “6” – С11 и С12, “7” – С10, С11 и С12.
После того как будет введен код подключаемых конденсаторов, появиться возможность ввести данные для следующего диапазона, при этом в верхней строчке ЖКИ появится надпись следующего диапазона. После того как будет произведен ввод всех значений, на ЖКИ будет кратковременно выведена надпись – “ Seting end” и синтезатор перестоится на частоту 14150 КГц. И произойдет запоминания всех раннее введенных значений, в энергонезависимую память микроконтроллера. Если в процессе набора была произведена ошибка, следует нажать кнопку “Esc”, и произвести установку заново. При частоте ПЧ трансивера в диапазоне частот от 8400 КГц до 9000 КГц, можно использовать уже установленные данные, которые уже находятся в ЕЕПРОМ микроконтроллера.
160м – 37: 80м – 31: 40м – 27: 30м – 24: 20м – 74: 17м – 45: 15м – 31: 12м – 27: 10м – 20:
Где первая цифра - это на сколько мы хотим делить частоту ГУН, а вторая цифра - это код подключаемых подстроечных конденсаторов.
Синтезатор выполнен на плате из двухстороннего текстолита, размером 135 мм на 95 мм. При чем одна сторона платы, используется как сплошной экран и земляная шина. Там где нет соединения с землей, необходимо раз зенковать отверстие сверлом диаметром 3 мм.
Катушку ГУН желательно выполнить из посеребренного провода диаметром 0.8 мм. Катушка без каркасная, и выполнена на оправке диаметром 6 мм и содержит 4 витка, длина намотки 5.5 мм. Отвод сделан от одного витка с четвертью от заземленного конца катушки. В качестве большинства конденсаторов и резисторов, использовались элементы для поверхностного монтажа (SMD), типоразмера 0805. Но размеры печатной платы позволяют использовать для монтажа и обычные элементы, но для этого придется скорректировать рисунок печатной платы.
В качестве микроконтроллера следует использовать микроконтроллер на тактовую частоту 16 МГц ATMEGA8-16PI.
При его программировании следует запрограммировать Fuses биты на работу от внешнего генератора – CKSEL = 0. Остальные Fuses биты оставить по умолчанию. Для программирования микроконтроллера, автор использовал программу AVReal который можно скачать по ссылке http://www.ln.ua/~real/avreal/index_e.html и адаптер "Altera ByteBlaster". Там же есть подробное описание по его использованию и изготовлению.
Командная строка для программирования Fuses бит: avreal.exe +mega8 –p1 –ab –e –b –w –fCKSEL=0
Для записи в микроконтроллер программы при использовании параллельного порта №1: avreal.exe +mega8 –p1 –ab –e –b –v –n –w –c DDS.HEX –d DDS.EEP
В качестве катушек L2 и L3 используются дроссели ДМ - 0.1 -180 мГн. Для надежной работы делителей частоты выполненных на микросхемах 74AC161 следует подобрать резисторы в делителях на их входах.
Настройка ГУН, заключается в установке требуемых границ перестройки на каждом из диапазонов, при подаче на варикап напряжения 0,8-8В от отдельного переменного резистора, перед этим, предварительно разорвав цепь Upll.
Для питания синтезатора, как пяти, так и двенадцати вольт, должно быть использовано напряжение с минимальным уровнем пульсаций. Лучше применить отдельные стабилизаторы (например, 142ЕН8Б и 142ЕН5А или 7812 и 7805, расположенные в непосредственной близости к основной плате). Не использовать в качестве земляного проводника корпус трансивера. Не располагайте основную плату вблизи силового трансформатора и/или выходного каскада во избежание наводок. Основную плату синтезатора лучше всего расположить в отдельном, экранированном отсеке. Меж платное соединение очень простое, нужно соединить между собой выводы плат с одноименными названиями. Проводники этих соединений не следует увязывать в жгут с прочими проводниками трансивера.
Следующая дополнительная схема (Рис 5) обеспечивает, при необходимости, буферирование сигналов микросхемой 7404 (155ЛН3) с разъема J4 основной платы синтезатора, а также с помощью сдвигового регистра 4015 (561ИР2) и дешифратора 155ИД10 позволяет управлять релейным переключателем диапазонов с разъема J6
Настройку синтезатора следует начинать с проверки правильности произведенного монтажа. После этого подают питание +12 вольт и проверяют напряжение на выходе внутренних стабилизаторов на плате синтезатора + 5 Вольт и + 9 вольт. Проверяют работу ГУН, предварительно подав напряжение на варикап через переменный резистор включенный между землей и + 9 Вольт и разорвав цепь управления варикапом в точке соединения R26 и L4.
Программируют микроконтроллер и устанавливают его на свое место в плате синтезатора и подают напряжение +5 вольт и проверяют его наличие на всех микросхемах.
Цифровая часть синтезатора в настройке не нуждается. Если она не работает, то стоит еще раз проверить монтаж и наличие напряжение питания на микроконтроллере. Наличие импульсов с частотой 16 МГц на ножке №9 микроконтроллера. Проверить что микроконтроллер правильно запрограммирован.
Константин ИВАНОВ (RD3AY), г. Москва.