Синтезатор частот для любительской коротковолновой радиостанции
Виктор ДЕНИСОВ (RA6LM), г. Азов Ростовской обл. Виталий ПОПОВ (RX6LEJ), г. Ростов-на-Дону
В синтезаторах, опубликованных в 2004 г. в журнале "Радио ", микросхемы DDS ("прямого цифрового синтеза") применены не совсем по своему "прямому" назначению. Авторы предлагаемой публикации утверждают, что качество синтезированного сигнала непосредственно на выходе микросхемы DDS при определенной обработке имеет высокую чистоту спектра, а сам синтезатор можно перестраивать в большем диапазоне частот. Немаловажен и тот факт, что такой синтезатор намного проще в изготовлении и не чувствителен к вибрациям, чего не скажешь о гетеродинах с применением ГУН.
Синтезатор предназначен для использования в качестве плавного первого гетеродина любительской коротковолновой радиостанции (транси-вера). Синтезатор формирует спектр частот для девяти любительских KB диапазонов с учетом записанного в его память значения промежуточной частоты трансивера, а также может работать в режиме генератора с плавным перекрытием диапазона частот от 10 Гц до 30 МГц. Шаг перестройки может быть выбран в 10 и 100 Гц, 1 или 10 кГц. Значения вводимой ПЧ — 10 Гц...20 МГц. Напряжение выходного сигнала — не менее 0,3 В. Форма сигнала на выходе синусоидальная. Уровень ВЧ напряжения на выходе синтезатора достаточен, чтобы подать его на формирователь, выполненный на микросхемах 500-й серии или на формирователь на микросхеме SN74HC86N.
Уровень побочных составляющих в спектре выходного сигнала после ФНЧ — не более -80 дБ. Применение дополнительных диапазонных ФСС понижает этот уровень до -140 дБ.
Также синтезатор позволяет управлять пятью рабочими режимами трансивера (например, включения аттенюатора, VOX, телеграфного режима и т. д.).
Синтезатор имеет 100 энергонезависимых ячеек памяти: по 10 ячеек на каждом из девяти диапазонов плюс 10 ячеек в режиме генератора.
Структурная схема устройства показана на рис. 1. Сердцем синтезатора служит микроконтроллер (MCU) с записанной в его память управляющей программой. Обрабатывая сигналы, поступающие от формирователя импульсов (валкодера), микроконтроллер передает в последовательном коде в микросхему прямого цифрового синтеза (DDS) код частоты и фазы сигнала. Одновременно управляющий код поступает в регистры блока индикации рабочей частоты и в регистры управления. Рабочая частота индицируется на дисплее с учетом запрограммированной ПЧ.
Рис. 1
Разрядность внутреннего ЦАП микросхемы DDS — 10 бит, при этом общее число дискретных составляющих будет равно 210.
Сформированный синтезатором сигнал после включенного на выходе микросхемы ФНЧ имеет в своем спектре составляющие уровнем до 5 мкВ. Слушать трансивер с таким уровнем составляющих можно только на НЧ диапазонах. А если речь идет о высококачественном гетеродине, то эти составляющие необходимо отфильтровать, пропустив сигнал синтезатора через добротные ФСС с полосой пропускания 0.5...1 МГц. С такими фильтрами при чувствительности трансивера 0,1 мкВ пораженные частоты практически не прослушиваются на всех диапазонах.
Принципиальная схема синтезатора представлена на рис. 2. К разъему XS1 подключают валкодер. Его конструкция описана в [1]. На микросхеме DD1, четырех триггерах Шмитта, выполнены формирователи сигнала валкодера. Микросхема DD3 — энергозависимая память синтезатора. Хотя в микросхеме PIC-контроллера DD2 есть своя память (EEPROM), но ее объема недостаточно для хранения всей информации. В памяти микросхемы DD2 хранятся сведения об образцовой частоте микросхемы DD5, значение промежуточной частоты трансивера, данные о границах диапазонов. Вся остальная информация хранится в DD3.
Рис. 2
На выходе микросхемы DD5 (DDS или прямого цифрового синтеза) включен фильтр нижних частот L4—L6 С6С8С10С11С13С15С16 с частотой среза 32 МГц.
На разъеме XS10 два выхода: Out.1 — выход технологического генератора от 10 Гц до 30 МГц и Out.2. —для подключения диапазонных фильтров, т. е. ФСС. Разница между этими выходами втом, что на Out1 подается сигнал от DDS через конденсатор большой емкости (10 мкФ) для пропускания звуковых частот.
Микросхема DD11 управляет переключением диапазонных и гетеродинных фильтров. К разъему XS9 подключают разъем XS1 платы ФСС.
Выходы микросхем DD9—DD10 (уровень 1) можно использовать для подключения транзисторных ключей управления режимами работы радиостанции (включение аттенюаторов, переключение режимов SSB/CW и т. п.).
Светодиоды HL1—HL13 — индикаторы включения режимов работы синтезатора и трансивера.
Назначение большинства кнопок SB2—SB25 понятно из обозначений на схеме и отдельного пояснения не требует. Кнопка MWR — готовность к записи в память, кнопки М+ и М- - переключение ячеек памяти внутри включенного диапазона. Если кнопка MWR не была нажата, происходит вызов частоты из памяти при нажатии М+ или М- с отображением номера ячейки.
При нажатии кнопки MWR загорается светодиод MWR, затем кнопками М+ и М- выбирают ту ячейку памяти, в которую необходимо занести текущую частоту. Повторное нажатие MWR приводит к записи частоты в выбранную ячейку, светодиод MWR гаснет.
В режимы расстройки приема "RIT" и передачи "XIT" синтезатор переводится нажатием соответствующих кнопок. В режиме "XIT" частота приема не меняется, а на передаче будет та, которая установлена валкодером и индицируется.
В режиме "RIT" частота передачи будет зафиксирована, а прием осуществляется на любой частоте в пределах диапазона.
Во время передачи работа валкодера блокируется подачей на разъем XS2 напряжения +12 В ТХ. При этом на вывод 4 микросхемы DD2 с делителя, образованного резисторами R4 и R5, поступает напряжение +5 В.
Схема узла индикации синтезатора приведена на рис. 3. Она особенностей не имеет.
Рис. 3
Рис. 4
Переключение фильтров происходит при подаче уровня 1 на транзисторные ключи 1VT1, 1VT2.... 9VT1, 9VT2, которые в свою очередь через диодные ключи подключают шины входного сигнала (XS4) и выходного сигнала (XS5) к соответствующим отводам катушек.
Устройство выполнено на трех печатных платах из двусторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 80x72 мм (плата синтезатора), 120x32 мм (плата индикации) и 110x80 мм (плата ФСС). Плату клавиатуры и индикации изготавливают под конкретный дизайн трансивера, и ее вариант здесь не рассмотрен. Все разъемы на платах штыревые однорядного типа PLS (вилки) или PBS (розетки), с расстоянием между контактами 2,54 мм. Межплатные соединения выполнены плоским ленточным кабелем FRC [4].
Основная часть резисторов и конденсаторов, примененных в конструкции — для поверхностного монтажа, типоразмера 0805 или 1206. Конденсаторы С1, СЗ на плате синтезатора и С1 на плате ФСС — К50-35 или аналогичные импортные. Подстроечные конденсаторы на плате ФСС — также для поверхностного монтажа типа TZC03 (фирмы muRata): параллельно катушкам индуктивности устанавливают конденсаторы TZC03P300A — 6,5...30 пф (зеленый корпус), а конденсаторы связи TZC03P100A — 3...12 пф (белый корпус). Дроссель L1 фильтра питания намотан на кольцевом магнитопроводе К7х4х2 мм из феррита 1000НМ проводом ПЭЛШО 0,15 (20...30 витков).
Дроссели L1—L3 синтезатора намотаны на кольцевых магнитопроводах К7х4х2 мм из ферритаЮООНН проводом ПЭЛШО 0,31 в один слой до заполнения. Катушки ФНЧ L4—L6 намотаны на кольцевых магнитопроводах К10х6х3 мм из феррита 20 ВЧ. Катушка L4 имеет 7 витков, L5 и L6 — по 6 витков провода ПЭВ-2 0,51. Намоточные данные катушек индуктивности и емкости конденсаторов ФСС для ПЧ, равной 8,86 МГц, приведены в таблице.
|
Диапазон, МГц |
Частота гетеродина, МГц |
Индуктивность катушек 1L1— 1L3...9L1— 9L3, мкГн |
Емкость конденсаторов параллельно катушкам, пФ |
Число витков |
Отвод от витка |
|
14,0.. .14,35 |
5,2...5,55 |
6,4 |
140 |
32 |
3 |
|
1,8.. .2,0 18,068.. .18,318 |
9,26... 10,8 |
3,2 |
79 |
22 |
2 |
|
3,5.. .3,8 21,2.. .21,45 |
12,2.. .12,65 |
2,5 |
63 |
19 |
2 |
|
7,0.. .7,1 24,89.. .25,140 |
15,8.. .16,34 |
2,0 |
48 |
16 |
2 |
|
10,1. ..10,15 28,0.. .29,7 |
18,8.. .20,9 |
1,5 |
40 |
14 |
2 |
Примечание.Все катушки намотаны на кольцевых магнитопроводах К10x6x3 из феррита 20 ВЧ.
Кварцевый генератор DD4 — SCO-010 (HO-12C или МСО-1510А) на частоту 30 МГц. Микросхема DD2 установлена на панели. Микросхему 24С16 можно заменить на 24С32, 24С64 или 24С128 (у них одинаковый протокол обмена).
Индикаторы HG1—HG4 — А/С-552 фирмы PARA LIGHT (можно А/С-502, А/С-522, А/С-562) с общим анодом, зеленого или красного цвета свечения.
Кнопки SB1—SB25 — любого типа. Кнопка SB1 установлена на плате синтезатора, остальные — на передней панели трансивера. Светодиоды, индицирующие состояние режимов, устанавливают над соответствующими кнопками.
Перед включением синтезатора не лишним будет проверить его монтаж и качество пайки на отсутствие каких-либо ненужных замыканий.
Присоединить валкодер, плату индикации и плату клавиатуры к соответствующим разъемам платы синтезатора. На контакт 1 разъема XS2 подать напряжение питания +5 В.
При первом включении на индикаторах HG1—HG4 высветятся частота по умолчанию 2 000 000 Гц и шаг перестройки 10 Гц. Вращая вправо и влево диск валкодера, надо убедиться, что частота изменяется. Осциллографом, подключенным к выводам 10 и 11 микросхемы DD1 платы синтезатора, проконтролировать наличие прямоугольных импульсов правильной формы ("меандр").
Нажимая по очереди кнопки SB2— SB 10, проверить по индикаторам работу переключателя диапазонов. Затем, нажимая кнопки SB11—SB25, по загоранию светодиодов HL1—HL13 проверить переключение шага перестройки, управление памятью и включение пяти режимов управления трансивером.
Переключить синтезатор в режим генератора и установить максимальную частоту — 29999999 Гц. К выходу синтезатора (контакт 2 разъема XS10) подключить частотомер. Если частота кварцевого генератора DD4 точно равна 30 МГц, то частотомер покажет частоту 29999999±10 Гц. Если показания частотомера не соответствуют указанным цифрам, РЮ-контроллер следует перепрограммировать. (В последующих версиях программы будет введена возможность установки образцовой частоты без перепрограммирования микроконтроллера, с учетом поправки на точную частоту кварцевого генератора).
Чтобы ввести в память синтезатора новое значение промежуточной частоты трансивера, следует переключить синтезатор в режим генератора, установить шаг перестройки 10 кГц и кратковременно нажать на кнопку SB1 (на дисплее высветится значение ранее запрограммированной ПЧ с точностью до 10 Гц). Вращая валкодер, установить значение старших разрядов нужной частоты ПЧ, а затем, последовательно переключая шаг перестройки, установить значения младших. Каждый раз перед переключением шага следует нажимать кнопку SB 1.
В программе PIC-контроллера исходно установлена ПЧ — 10 МГц и частота образцового генератора — 180 МГц, с точностью 10 и 1 Гц соответственно.
Фильтры сосредоточенной селекции следует настраивать с характериографом. Наблюдая на экране прибора АЧХ фильтра, подстроечными конденсаторами связи, например, 1С4С и 1С7, устанавливают требуемую полосу пропускания. Отводы у катушек 1L1 и 1L3 подбирают по минимальному затуханию и неравномерности в полосе пропускания при входном и выходном сопротивлении фильтра 50 Ом.
Косвенно качество настроенных фильтров можно проверить при измерении высокочастотным щупом осциллографа напряжения на "горячих" концах катушек фильтра. Это напряжение должно быть в 10...20 раз больше входного во всей полосе частот фильтра.
Рисунки печатных плат синтезатора и расположения на них деталей, а также НЕХ-файл для программирования микроконтроллера доступны на сайте журнала "Радио" по адресу <ftp:// ftp.radio.ru/pub/2005/03/hfsynt.zip>.
С вопросами по программе управления контроллером и предложениями по введению дополнительных функций, а также по использованию в данном синтезаторе микросхем DOS AD9850, AD9852, AD9857, с соответствующей доработкой печатной платы, обращайтесь: Vitaliy_lej@inbox.ru.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисов В., Ушич В., Спирин В. Синтезатор частоты трансивера. — Радио, 1990, № 3, с. 26, 27.
2. Ред Э. Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. — М.: Мир, 1990.
3. Ред Э. Т. Схемотехника радиоприемников. — М.: Мир, 1989.
4. www.symmetron.ru.
Радио 3-2005