Синтезатор для КВ трансивера

Скачать статью в одном файле (~400 кб)

Этот синтезатор был разработан как дешевая и простая альтернатива тому обилию, что предлагается рядовому радиолюбителю. Хотелось сделать легко повторяемую конструкцию и без заметного ущерба для качества. В синтезаторе применяется известная, опубликованная многими авторами во многих изданиях идеология (например статья А.Кухарука в журнале Радиолюбитель 1/94) но на другой элементной базе. Это одно-петлевой синтезатор, использующий Делитель с Переменным Коэффициентом Деления (ДПКД) в петле обратной связи фазового детектора с низкой частотой сравнения и как следствие с относительно невысокой скоростью перестройки. В качестве контроллера применен AT90S2313, имеющий для этого все необходимое: встроенные энергонезависимую память, прерывания, порты и к тому же 20-ти ножечный DIP корпус. Из-за дефицитности 193ИЕ3 и 500ТМ121 было решено применить “буржуйские” 74АС161, как дешевые и доступные.

Итак, о самом синтезаторе. Он предназначен для применения в трансиверах с перестраиваемым первым гетеродином и фиксированной первой ПЧ (оптимально в районе 8-9МГц). Индикация с точностью до сотен Герц. Шаг перестройки 50 Герц. Имеет десять ячеек памяти. К тому же эти ячейки сохраняют информацию и при отключенном питания. Для записи частоты в ячейку памяти необходимо нажать кнопку “PUSH”(1). При этом появляется надпись “PUSH” (-с английского ПОМЕСТИТЬ). Далее необходимо нажать одну из кнопок от “0” до “9”, это и будет номер ячейки, в которой будет храниться эта иинформация. –Соответственно для извлечения необходимо нажать кнопку “POP”(6) (появляется надпись “POP” – ВЫТОЛКАТЬ) и затем необходимый номер (0…9) ячейки.
Кнопкой “BND” (0) переключаются диапазоны, при нажатии на оную появляется стилизированая надпись “band”. Остается нажать на кнопку необходимого диапазона.

Кнопка “ESC”(*) предназначена для выхода из текущего режима (напр. ошибочно нажали что-либо не то).

Кнопка “STK.”(#) (stack –магазин) позволяет после переключения диапазона или извлечения из ячейки памяти вернуться к предыдущему состоянию (т.е. диапазону, частоте, вкл/выкл расстройке, аттенюатору, увч). Нажимая “STK” можно последовательно перебрать восемь последних предыдущих состояний.

Кнопка “A«B”(3) позволяет иметь два совершенно независимых “ГПД” и оперативно их переключать. При этом ГПД А и ГПД В имеют полностью независимые установки (диапазон и т.д.).

Нажав кнопку “B=A”(5) записываем текущие установки во второй (неактивный сейчас) ГПД.

Кнопки “< ” (4) или “> ”(9) для перестройки по частоте. При нажатии на кнопку “>” частота медленно увеличивается. Если, удерживая нажатой кнопку “>” нажать еще и кнопку “<” то частота будет увеличиваться быстро. Это было сделано по просьбе UR5ZER для управления синтезатором без валкодера.

По одной кнопке для вкл / выкл расстройки (RIT)(8) и выключения расстройки с установкой частоты передачи равной частоте приема (T=R)(7). Включенная расстройка индицируется светодиодом (разъем J2 с ножки 1) “RIT” (расстройка) через резистор около 560 ом на корпус анодом к выводу “RIT”.
Следующие три кнопки можно использовать для переключения “PPWR” (УВЧ), “ATT” (аттенюатор), “CW” (или чего-либо другого изменив соответствующую надпись). Напротив каждой из них можно установить светодиодные индикаторы. Они работают так: первое нажатие включает (зажигается светодиод) следующее нажатие выключает.
Реверсированием боковой полосы управляет кнопка “REV” (J2_4) при этом частота виртуальной несущей остается неизменной.
И последняя кнопка “ TX”, нажав которую переводим трансивер в режим передачи (J3-1). Переключать на передачу нужно именно этой кнопкой для правильного функционирования расстройки.

Я думаю этих действительно необходимых режимов вполне достаточно для повседневной работы в эфире для такого класса синтезаторов. При желании (используя более мощный контроллер) можно навернуть всяческих программных наворотов и извращений, которые, по-моему, интересны самим программистам и / или лицам торгующим этими изделиями.
Из-за ограниченного объема памяти взамен сканирования введен режим программирования. Чтобы попасть в этот режим , нужно удерживая любую кнопку нажатой включить питание. При этом на индикаторе появится текст “prog”. Далее возможны три варианта действий.

Зная точно частоты опорного кварцевого генератора для прямой и реверсной полосы пропускания, их можно записать в память контроллера следующим образом: Для прямой полосы нажимаем кнопку “PPWR”(УВЧ), а для реверсной – “ATT”(аттенюатор). И третий вариант нажимаем кнопку “REV” (о нем позже). Индикатор гаснет, а в левом крайнем знакоместе появляется курсор. Частоту вводим последовательно нажимая кнопки 0..9 например 1000000 это 10МГц ровно. Если частота меньше 10МГц, то ввод нужно начинать с нуля (напр. 0882580 это 8МГц 825КГц и 800Гц). Последний вводимый разряд это десятки Герц и он может быть либо 5, либо 0. То есть точность вводимой частоты равна 50Гц. После ввода последней цифры зажигается надпись “End”.
Здесь нужно отметить следующее: синтезатор выдает сигнал для управления реверсированием боковой полосы на разъем J2 ножка 4. Нормальной боковой полосе (нижней на диапазонах ниже 14 МГц и верхней на диапазонах выше 10 МГц) соответствует “нулевой” уровень а реверсной “единичный” (+2,4 в). Если использовать транзисторный ключ КТ315 и реле РЕС49 (сигнал на базу через 1 ком, эмиттер на корпус, к коллектору обмотку реле (зашунтированную диодом, анодом к коллектору) на второй вывод обмотки реле +12 в), то нормальной боковой полосе будет соответствовать обесточенное состояние этого реле. Это важно, так как при переключении диапазонов всегда включается нормальная боковая полоса.

И третий вариант это программирование установок: какой будет коэффициент деления ГУНа, а также, какой и сколько подключить подстроечных конденсаторов на соответствующем диапазоне. Высвечивается “0” это номер диапазона (1,9) и курсор для ввода двух цифр. Первая из них это код для конденсаторов, а вторая это код для делителя (как их посчитать будет далее). Введя две цифры, зажигается “1” (это следующий диапазон 3,5), вводим еще две цифры. Зажигается “2” (7МГц) и так далее до появления надписи “End”. После ввода всех необходимых установок нужно выключить питание и снова включить но уже не нажимая никаких кнопок.
Синтезатор выдает частоты в два раза больше необходимых. Поэтому, в непосредственной близости к смесителю, необходимо установить мс. 74AC74 (делитель на два). Меандр с выхода этого триггера вследствие своей симметричности заметно упрощает балансировку смесителя, а также увеличивает динамический диапазон. При тщательно изготовленных трансформаторах, подобранных диодах (транзисторах) и симметричном монтаже смесителя балансирование может и не потребоваться.
По поводу ГУНа. Здесь использована идеология построения гетеродина RA3AO. То есть один генератор и Делитель с Переменным Коэффициентом Деления. Но дополнительно применяются два подключаемых подстроечных конденсатора. В качестве ДПКД используется счетчик U2 74AC161 (74AC163). Делить можно на 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Возьмем к примеру частоту ПЧ 4606 КГц и посчитаем.

Частота гетеродина на 10 метровом диапазоне.
28000-4606=23394 29700-4606=25094

Минимальный коэффициент деления равен 2. Не забываем что в трансивере частота ГПД делится еще на 2. Итого минимальный коэффициент деления равен четырем. Значит частоты перестройки ГУНа должны быть в четыре раза больше:

23394 х 4 = 93576КГц 25094 х 4 = 100376 КГц делитель = 2 (в трансивере еще на 2)

Для других диапазонов попробуем (подбирая делитель) подобрать частоты перестройки ГУНа возможно ближе к ранее вычисленным частотам 10 метрового диапазона или подобрать две или три группы частот.

Например возможный вариант

Диапазон 24890 – 24990 = ГУН 81136 – 81536 делитель = х2
21000 – 21345 = 98364 – 100434 х 3
18068 – 18168 = 80772 – 81372 х 3
14000 – 14350 = 93940 – 97440 х 5
10000 – 10150 = 97092 – 99792 х 9
7000 – 7100 = 92848 – 93648 х 4
3500 – 3800 = 81060 – 84060 х 5
1810 – 2000 = 89824 – 92484 х 7

Рис. 1. Перекрытие частот

Эти частоты можно сгруппировать в три группы.

93576 – 100434 KГц для 28, 21, 14, 10 без дополнительных конденсаторов.

89824 – 93648 KГц для 1,9, 7 подключаем первый конденсатор сдвигая диапазон перестройки вниз по частоте. При этом немного уменьшается перекрытие.

80772 – 84060 KГц для 18, 24, 3,5 подключаем второй конденсатор (или оба) сдвигая еще больше диапазон перестройки вниз по частоте и еще сильнее уменьшая перекрытие по частоте ГУНа. В результате получаются неплохие (по оптимальности) перекрытия по диапазонам, что и позволило использовать только один ГУН.

Подключением этих конденсаторов, с помощью диодов VD3 VD4 в зависимости от диапазона, управляет регистр U1 561ИР2. Диод неподключенного конденсатора запирается напряжением от стабилитрона VD3.

При программировании коды для подключения конденсаторов следующие:
0 - оба конденсатора подключены
1 – подключен “C5”
2 – подключен “C4”
3 – оба конденсатора не подключены

Шаг перестройки равен 50 Герцам и образцовые частоты фазового детектора, для упрощения всяческих перерасчетов в контроллере, выбраны следующим образом.

Если ГУН делим на 2 (и в трансивере на 2, итого на 4), то 50Гц умножить на 4 = 200Гц.
Если делим на 3, то 300Гц и так далее.

В качестве делителей для получения образцовых частот и ДПКД синтезатора применен таймер 580ВИ53. Он содержит три программно управляемых счетчика с максимальной частотой счета 2,5 МГц.

Канал Т0 таймера и формирует эти образцовые частоты для фазового детектора из частоты 8 МГц кварцевого генератора контроллера деленной на четыре мс. 555ИЕ10 (т.е. из 2 МГц). Но из 2000,000Гц невозможно получить точно 200, 300, …. 900 Гц делением на целые числа. Поэтому был выбран компромиссный вариант 2000,400 Гц. При этом 200, 300, 400, 600 Гц получаются точно, а на остальные с погрешностью. Чтобы не было погрешностей , частота генератора в контроллере должна быть кратной 252 Кгц (напр. 252 х 32 = 8064 Кгц), но при этом необходимо изменение констант “зашитых” в контроллере.

При программировании коды для коэффициента деления счетчика ГУНа будут следующие:
7 - делим на 2, 6 – на 3, 5 – на 4, 4 – на 5, 3 – на 6, 2 – на 7, 1 – на 8, 0 – на 9.
Канал Т1 таймера и есть ДПКД синтезатора. Но поскольку максимальная частота ГУНа (в данном случае) 100,434 МГц, а таймера 2,5 МГц то используется предварительный делитель на счетчиках 74AC161 (реально работают до 120МГц). Они делят частоту ГУНа на 32 или 33 (на 32 для удобства написания программы контроллера).

Канал Т2 таймера это накапливающий счетчик, указывающий сколько раз делить на 32 и сколько раз на 33. Таким образом, мы можем получить совместное деление частоты ГУНа не только с шагом в 32, но и с шагом в 1. Например, ДКПД делит на десять. Из них девять раз по 32 и один раз 33, итого 9 * 32 + 1 * 33 = 321. Если восемь раз по 32 и два по 33 то получим 8*32+2*33=322 и т. д. Таким образом, на выходе ДПКД (в режиме захвата) присутствует частота ГУНа деленная до частоты сравнения фазового детектора. Изменяя совместный коэффициент деления ДКПД на единицу, мы изменяем частоту ГУНа на 900, 800, …. 200 Герц в зависимости от диапазона. Но поскольку мы частоту ГУНа делим, то и получаем шаг изменения в 50 Гц.

В регистрах 1533ИР37 защелкивается информация, полученная от контроллера. Индикация выполнена статической с последовательной загрузкой информации в регистры 561ИР2 (две линии LED_D (данные) и LED_C (тактирование)). Это позволило, помимо уменьшения количества соединительных проводов, избавиться от помех присущих динамической индикации. Сигнал по линии Blink гасит индикаторы на время их загрузки новой информацией. Все действия от кнопок или валкодера исполняются контроллером по прерыванию, после чего он переходит в “спящий” режим (практически останавливается). Что и позволило (совместно с данным типом индикации) избавится от помех даже без экранирования. Отключив антенну и установив максимальную чувствительность можно услышать только легкое “шуршание” от ключевания светодиодных матриц при вращении вылкодера.
Опрос нажатой кнопки осуществляется тактированием счетчика-дешифратора 561ИЕ8. Изначально он был в сброшенном состоянии, и нажатие любой кнопки вызывает прерывание по линии INT. Микроконтроллер (разобравшись, кто вызвал прерывание) разрешает работу счетчика и последовательно добавляя единичку в счетчик (линия KB_C) находит нажатую кнопку по линиям KB_1 или KB_2. Дальнейшие события зависят от того, какая кнопка была нажата.

Поворот валкодера также вызывает прерывание INT, но поскольку кнопки не нажимались, контролер в зависимости от состояния линии VAL_IN увеличивает или уменьшает текущую частоту. Сигналы оптронных пар формируются 561ЛН2. Пороги срабатывания и гистерезис определяются номиналами и соотношением резисторов.

Фазовый детектор (ФД) выполнен по известной схеме на мс. 561ТМ2 и 561ЛЕ5. Особенностью является питание от 9-ти вольт, отсутствие ключевых транзисторов и применение только одного логического элемента 561ЛЕ5 в цепи сброса триггеров ТМ2. Эти меры позволили получить очень короткий импульс на выходе ФД (в режиме захвата) и больший диапазон изменения напряжения для варикапов. - Что и позволило (совместно с большим коэффициентом деления частоты ГУНа) уменьшить всевозможные шумы синтезатора. А разница в питающих напряжениях (5 и 9 вольт) вызвала необходимость применения подтягивающих резисторов R4, R5.

На элементах R7, R6 C8 C9 выполнен пропорционально интегрирующий фильтр, от номиналов которого зависит время установления частоты и “гладкость” реакции (без колебаний) на изменение частоты.

ГУН собран по традиционной схеме емкостной трехточки. Особенностью является использование в качестве емкостного делителя самих варикапов. Это обеспечивает неизменность режимов генератора во всем диапазоне перестройки по частоте.

Синтезатор собран на четырех односторонних печатных платах. Фольга со стороны деталей на платах контролера и ГУНа оставлена в качестве экрана и общей шины. Где необходимо отверстия под выводы деталей раззенковываются (они без “крестика”). Особого внимания требует плата ГУНа. Из-за “уникального” качества нашего фольгированого текстолита ухудшается добротность контура генератора работающего на 100 МГц. Самое неприятное заключается в том, что стабильность частоты сохраняется, но ухудшаются шумовые параметры, которые в основном и определяют качество синтезатора. Очень неплохо послушать контрольным приемником ГУН на предмет чистоты тона с отключенной петлей фазовой автоподстройки. Дело в том, что “грязную” генерацию синтезатор пытается “вычистить”, превращая в шумы за пределами полосы пропускания интегрирующего фильтра. Поэтому очень важно иметь изначально чистую и стабильную генерацию иначе будет очень заметно обратное преобразование на шумов и прозрачного эфира нам не видать. Не менее важно обеспечить качественную (без пульсаций и наводок) стабилизацию питания как по 12 вольтам, так и по 5 вольтам. И так, если нет качественного (импортного) текстолита, то можно поступить следующим образом: - Все, что присоединено к горячему концу катушки контура, не припаивать к дорожкам на печатной плате, а смонтировать на качественных (диэлектрически) стойках.

Катушку L1 наматываем на 6мм оправке 4 витка посеребренным проводом диаметром около 1мм и слегка растягиваем. Варикапы желательно применить с хорошей добротностью на этих частотах. Например КВ127 КВ132 и т.п. Если нет качественных керамических подстроечных конденсаторов, то лучше применить с воздушным диэлектриком. Счетчики 1554ИЕ10, 1594ИЕ10 или, что сейчас доступнее, 74AC161, 74ACT161. В качестве C9 22,0 мкФ желательно использовать один из оксидно-полупроводниковых конденсаторов (K53-xx). Светодиодные матрицы индикатора любые импортные, так как отечественные регистр 561ИР2 не тянет вследствие их токопрожорливости. На плате индикатора разрываем линию “Blink” между общей шиной питания индикаторов и собственно выводом Blink. Транзистор КТ814 (для индикаторов с общим анодом) коллектором припаиваем к общей шине питания индикаторов а эмиттером к шине +5 вольт расположив его плашмя на плате с обратной стороны от индикаторов выводами в сторону “Blink”. База его, через резистор 0,75 -1 килоом, и будет выводом “Blink”. В случае применения индикаторов с общим катодом необходимо (если не изменять программу) дополнительно проинвертировать линии LED_D, Blink (напр. используя инверторы 561ЛН2) и использовать транзистор КТ815 эмиттером на корпус а коллектором к общей шине питания индикаторов.
Остальные детали некритичны. Одноименные выводы плат соединяем между собой. Это и будет межблочный монтаж.
Настройка платы ГУНа сводится к установке диапазона перестройки. Для этого, предварительно отключив от фазового детектора, на варикапы подаем напряжение от внешнего источника питания. Здесь необходимо отметить, что эта цепь подвержена наводкам. Вследствие высокого входного сопротивления варикапов, в дальнейшем, должны быть исключены утечки по печатной плате и возможные наводки.

Изменяя напряжение в пределах от +1 до +8 вольт укладываем границы перестройки ГУНа на диапазоне где дополнительные конденсаторы отключены (обычно 28 MHz). При +1 вольте сжимая или растягивая витки катушки, устанавливаем нижнюю, а при +8 вольтах подбором конденсатора (включенного параллельно катушке) устанавливаем верхнюю границы перестройки с небольшими запасами по краям диапазона. Проделываем это несколько раз, последовательно приближаясь к нужным пределам перестройки. Переключая диапазоны, а тем самым подключая и подстраивая сдвигающие подстроечные конденсаторы, уводим частоту ГУНа в необходимых пределах. Контролировать частоту можно на выходе буферного каскада непосредственно или со счетчика ДПКД ГУНа с учетом того, что частота на его выходе будет деленной согласно включенного диапазона. При срыве генерации (некачественный текстолит или варикапы с малой добротностью на этих частотах) нужно подобрать резисторы делителя напряжения на втором затворе транзистора генератора.

Подстроечным резистором устанавливаем максимальную чувствительность на тактовом входе счетчика. Аналогично поступаем и с подстроечным резистором на плате контролера. Восстановив цепь варикапов проверяем захват частоты (светодиод Lock не светится) подиапазонам. Светодиод “Lock” подключаем через резистор около 560 ом к +5 вольт (катодом к выводу “Lock” на плате контроллера).

Настройка платы контролера сводится к установке частоты кварцевого генератора поточнее на 2000,4 х 4 кГц. Частоту удобно измерять на выводе 14 счетчика 555ИЕ10 (4000,800 МГц).

Если все детали исправны, платы соединены без ошибок и питающие напряжения в норме то при включении индицируется 1900.0, светодиод захвата (Lock) погашен. Если это не так, то придется включить осциллограф и проверять опорные частоты и делители. Затем, вращая валкодер, проверяем четкость его работы. Для его настройки можно осторожно подобрать ток светодиодов и положение фотодиодов оптопар как по отношению к своим светодиодам, так и по расстоянию между парами. Можно контролировать на выводах мс 561ЛН2 осциллографом или светодиодами через буферные усилители на транзисторах (по аналогии с транзистором светодиода Lock). Идеально это когда сдвиг между импульсами будет 90 градусов. Фотодиоды оптопар подключены катодами к точкам “A” и “B” на плате клавиатуры анодами на корпус (GND). Светодиоды оптопар подключены анодами через резисторы (82 – 220 ом) к шине +5 вольт а катодами на корпус.

Это ГУН с возможностью программного управления коэффициентом деления счетчика и подключения дополнительных конденсаторов в зависимости от включенного диапазона (так называемый второй вариант).

Рис.2. Печатная плата - вид со стороны деталей

Рис.3. Печатная плата - вид со стороны проводников.

Рис.4. Принципиальная схема ГУНа

Рис. 5 Плата индикатора - вид сверху

Рис. 6. Плата индикатора - вид снизу

Это двусторонняя плата индикатора. Квадратиком обозначена первая ножка микросхемы. 561ИР2 запаиваются с одной стороны а индикаторы с другой. Седьмая ножка верхней микросхемы это LED_D а девятые ножки это LED_C. 14 –е ножки это +5 вольт, 8-е ножки это GND. Оставшийся вывод это Blink.

Это плата клавиатуры.

Рис.7. Плата клавиатуры

Кнопки запаяны со стороны дорожек , микросхемы с обратной. Справа на рисунке показано подключение оптронов валкодера.

Рис.8. Плата ГУНа

Если применять первый вариант ГУНа, то подключением подстроечных конденсаторов и установкой коэффициента деления счетчика управляют два дешифратора 555ИД10. Необходимо, перерезав дорожки, с помощью перемычек и диодов набрать нужные установки по диапазонам. Например для ПЧ 4606 КГц.

Зависимость состояний входов “A,B,C” счетчика 74AC161 и коэффициента деления частоты ГУНа.

Выходы дешифраторов 555ИД10 имеют открытый коллектор. Поэтому их можно соединять между собой непосредственно согласно необходимой логики работы.

Рис.9.

Рис.10. Доработка подключения батарейки (аккумулятора), хотя и с конденсатором 470,0 состояние сохраняется более суток.

Рис. 12. Схема размещения плат

Рис.13. Геометрические размеры

Прошивку микроконтроллера вы можете получить у автора разработки.

Советую попробовать, не пожалеете! Удачи и 73 !!!