На рисунке 1 показана схема основной платы.
КВ синтезатор UR5FJZ
последняя версия (февраль 2004)
Это обычный одно-петлевой синтезатор с низкой частотой сравнения (200 – 900 Гц) и как следствие, с невысокой скоростью перестройки и предназначен для трансиверов с фиксированной первой ПЧ. Шаг перестройки, фиксированный 50 Гц. Индикация с точностью 100 Гц. Применен один Генератор, Управляемый Напряжением (ГУН) с дополнительно подключаемыми конденсаторами и частота которого делится от 2 до 9 программно управляемым делителем. Установка промежуточных частот, коэффициента деления и диапазонов перестройки ГУНа - с помощью кнопок самого синтезатора. Печатные платы разведены таким образом, чтобы не было сложностей в их изготовлении. Рисунки печаток один к одному с разрешением 600 dpi и файлы прошивок контроллера прилагаются. Здесь так же подробное описание настройки и программирования контроллера с помощью домашнего компьютера.
На рисунке 1 показана схема основной платы.
Всеми процессами управляет контроллер U1 AT90S2313 фирмы Atmel. Питающее напряжение (вывод 20 VCC) подается через диод VD5. Этим обеспечивается подключение дополнительного модуля, содержащего аккумулятор и формирователь импульса сброса (RESET). Резисторы R34 и R39 нужны для опознавания пропадания питания с целью перевода контроллера в “спящий” режим.
Регистры U3, U9 74HC595 и U9 4015 (561ИР2) выполняют перевод из последовательного кода, выдаваемого контроллером, в код параллельный, необходимый другим функциональным узлам.
На вход SIN U5 4046 (1561ГГ1) вывод 14 (используется только фазовый детектор) поступает образцовая частота (200, 300, …900Гц), полученная делением частоты тактового генератора 8 МГц внутренним таймером контроллера вывод 15 (OC1). Но из 8000,000Гц невозможно получить точно 200, 300, …. 900 Гц делением на целые числа. Поэтому был выбран компромиссный вариант 8001,600 Гц. Чтобы не было погрешностей, частота генератора в контроллере должна быть кратной 252 Кгц (напр. 252 * 32 = 8064 Кгц), но при этом необходимо изменение констант “зашитых” в контроллере.
На второй вход CIN вывод 3 поступает частота ГУНа деленная Делителем с Переменным Коэффициентом Деления (ДПКД). Резисторы R19, R18, R2 и конденсаторы C24, C25, C26 это пропорционально – интегрирующий фильтр напряжения поступающего на варикапы D1, D2. К резистору R33 и +5 вольт подключается светодиод, индицирующий отсутствие захвата (LOCK) в петле фазовой автоподстройки.
Резисторы R20, R37, R21, R38 и разделительные конденсаторы C31 и C32 необходимы для согласования уровней сигналов от контроллера и таймера, имеющих пятивольтовое питание, с микросхемой фазового детектора, питающейся от девяти (десяти) вольт.
В качестве ДПКД применен таймер U8 I8253 (580ВИ53). Он содержит три программно управляемых счетчика с максимальной частотой счета 2,5 МГц.
Канал Т0 не используется.
Канал Т1 таймера и есть ДПКД синтезатора. Но поскольку максимальная частота ГУНа около 60 - 90 МГц, а таймера 2,5 МГц то используется предварительный делитель U6, U7 74AC161 (реально работают до 120МГц). Они делят частоту ГУНа на 32 или 33 (на 32 для удобства написания программы контроллера).
Канал Т2 таймера это поглощающиий 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 x 32 + 1 x 33 = 321. Если восемь раз по 32 и два по 33, то получим 8 x 32+2 x 33=322 и т. д. На выходе ДПКД (в режиме захвата) присутствует частота ГУНа деленная до частоты сравнения фазового детектора.
На разъеме J5 OUT присутствует частота ГУНа деленная счетчиком U2 74AC161 на 2, или на 3, 4, …9, зависимости от диапазона. В качестве U2 можно также применить 74AC163. Код, поступающий из регистра U4A 4015 (561ИР2) на входы A, B, C счетчика, определяет коэффициент деления.
В ГУНе используется транзистор Q1 КП327. Он, как и U5 4046, питается напряжением +9 вольт со стабилизатора AU1 78L09. Частота генерации определяется контуром L1, C8 и емкостью варикапов. Дополнительно диодами VD1, VD2, VD3 подключаются конденсаторы C10, C11, C12. Код, поступающий с регистра U4A на базы транзисторов Q5, Q6, Q7 управляет этими диодами. Запирающее напряжение +12 вольт подается на диоды через фильтр R36, C30 и резисторы R29, R30 и R31. Открывающее диоды напряжение дополнительно фильтруется R17, C15 и стабилизировано AU2 78L05. Буферный каскад выполнен на транзисторе Q2 КТ363, включенном по схеме с общей базой. Такое включение транзистора имеет минимальную проходную емкость и хорошо развязывает генератор от нагрузки. За тем Q3 и Q4 - эмиттерные повторители.
На рисунке 2 показана основная плата. Фольга со стороны установки деталей оставлена целиком и используется в качестве общего провода и экрана. Отверстия раззенкованы. Обозначенные крестиком, не зенкуют, и выводы припаивают к этой фольге или с обеих сторон. Черным цветом выделены проволочные перемычки.
На рисунке 3 фото монтажа основной платы.
На рисунке 4 показана схема индикации.
Применена последовательная запись информации в сдвиговые регистры, как не имеющая помех в отличие от динамической индикации и имеющая минимум соединительных проводов. Поскольку нет дешифратора, то появилась возможность отображать не только цифры.
На рисунке 5 показано расположение деталей платы индикации. Микросхемы и светодиодные матрицы запаяны с разных сторон платы. U1 – U6 лучше применять импортные CD4015. Наш аналог 561ИР2 иногда дает неодинаковую яркость свечения сегментов светодиодной матрицы, да и надежность неважная. В данном случае применены двойные матрицы TOD5263 салатного цвета свечения с общим катодом, но можно применить любую импортную такого же размера (у тех, которые мне встречались, была одинаковая цоколевка). В случае применения матриц с общим анодом нужно заменить транзистор Q1 КТ815 на КТ814, а эмиттер, перерезав дорожку подключить к +5 вольтам.
На рисунке 6 показана схема клавиатуры и валкодера.
На рисунке 7 показан монтаж деталей на печатной плате клавиатуры. Светодиоды и кнопки запаяны со стороны дорожек. На рисунке 8 показано наименование кнопок и светодиодов.
Собственно синтезатором управляют нижние два ряда кнопок, а верхний ряд кнопок (за исключением кнопки REV, о ней ниже) управляют разнообразными устройствами трансивера с индикацией соответствующими светодиодами. Это, например, могут быть:
PPWR - УВЧ. Нажав на кнопку, появится “единичка” на соответствующем выводе разъема J4 . Этим напряжением можно включить реле УВЧ, а светодиодом индицировать это включение. Повторное нажатие вернет все в исходное состояние.
ATT – аттенюатор. AGC – АРУ. FTR – дополнительный фильтр. CW – CW / SSB.
Выше перечисленные кнопки можно использовать по своему усмотрению, изменив надписи на кнопках кроме кнопки REV.
REV это реверсирование боковой полосы, которая кроме переключения частоты опорного генератора, еще опознается синтезатором с целью коррекции частоты таким образом, что бы частота виртуальной несущей оставалась неизменной.
BAND – Переключение диапазонов. При нажатии на индикаторах появляется надпись “band” и остается нажать кнопку соответствующего диапазона.
PUSH - Запись текущего состояния в ячейку памяти (их всего 10). Нажав кнопку, появляется надпись “PUSH” и затем нажимам кнопку с выбранным номером ячейки. Информация в ячейках сохраняется и при выключенном питании.
POP – Тоже самое, только извлечь из ячейки.
A« B – Это как бы переключение между двумя независимыми ГПД, при этом все включенные устройства (УВЧ, аттенюатор, расстройка, диапазон и т. д.) сохраняются в соответствующем ГПД А или ГПД В.
B=A - Записывает информацию из активного в данный момент ГПД в неактивный. В обеих ГПД получаем одинаковую информацию.
RIT – Включение / выключение расстройки. При этом на передачу будет использоваться частота, которая была до включения расстройки.
T=R – Выключение расстройки, но в отличие от RIT мы не вернемся на частоту, которая была до включения расстройки.
ESC – Отмена, например ошибочно нажали что либо не то, например кнопку BAND.
STK – (steck) Это восемь ячеек памяти в которых сохраняется текущее состояние синтезатора (частота, расстройка, УВЧ и т. д.) при переключении диапазона (BAND) или при извлечении из ячейки памяти (POP). Этот стек устроен таким образом, что последовательно нажимая кнопку STK можно вернуться к восьми предыдущим состояниям, вынимая из стека первым то что затолкали туда последним.
IN – Этой кнопкой можно принудительно затолкать в стек текущее состояние. Очень удобно затолкав в стек восемь частот, затем одной кнопкой STK быстро прослушивать их.
UP, DOWN - Нажав кнопку можно медленно изменять вверх или вниз частоту (альтернатива валкодеру). Удерживая нажатой, например, UP и дополнительно нажать DOWN то получим быстрое изменение частоты вверх. Чтобы получить быструю перестройку вниз нужно первой нажать DOWN и вдобавок к ней UP.
Нужно отметить следующее: питание синтезатора, как пяти, так и двенадцати вольтовое должно быть 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 располагать основную плату вблизи силового трансформатора и/или выходного каскада во избежание наводок. Основную плату синтезатора лучше всего расположить в отдельном, экранированном отсеке. Межплатное соединение очень простое, нужно соединить между собой выводы плат с одноименными названиями. Проводники этих соединений не следует увязывать в жгут с прочими проводниками трансивера.
Для программирования контроллера и последующей настройки, временно соединяем проводниками платы разложенные на столе. Подключаем +5 вольт (диод VD5 замыкаем перемычкой) и проверяем работу генератора контроллера (вывод 5 U1 AT90S2313), там должно быть 8 МГц.
Для загрузки файла с программой в контроллер необходима программа ISP.EXE и простейший интерфейс STK300, соединяющий принтерный разъем (LPT) компьютера и синтезатор (Рис 9).
Используются три линии (SCK, MISO, MOSI) SPI интерфейса, RESET, GND и +5V. В программе ISP.EXE создаем новый проект, выбирая AT90S2313.
В окошко Program Memory загружаем файл SINT.HEX, а в окошко Data EEPROM Memory файл SINT.EEP используя команду Load в меню File. Даем питание +5 вольт на синтезатор. В меню Program выбираем команду Auto-Program или нажимаем F5. Если все было правильно, то прошивка управляющей программы и данных в EEPROM успешно загрузится в контроллер. Это же можно проделать, используя любой программатор поддерживающий AT90S2313.
Далее подключаем плату индикации и клавиатуры и пробуем, что у нас получилось. Изначально в памяти контроллера находятся установки для индикации с общим катодом, промежуточной частоты 8872 Кгц и соответственно этой частоте установок для ГУНа. Для ввода других значений нужно проделать следующее. Нажать любую кнопку и удерживая ее включить питание. Должен появиться текст “prog”. Если применяются индикаторы с общим анодом, то нажимаем кнопку AGC и текст “prog” должен высветится. Нажав кнопку FTR можно вернуться к режиму с общим катодом.
Цифровая часть налаживания не требует. Если что-то не работает, то где-то есть контакт, где его не должно быть или наоборот контакта нет, где он должен быть. Осциллографом очень трудно что-либо проследить, если не писать специально для этих целей тестовых программ.
При первом включении на индикаторах высвечивается 1900,0 и все кнопки должны функционировать. Для настройки ГУНа необходимо ввести значения опорных частот для прямой и реверсной боковых полос, а так же какие и сколько будут подключаться подстроечные конденсаторы и на сколько делить частоту ГУНа по диапазонам. Повторяем снова. Нажать любую кнопку и удерживая ее включить питание. Должен появиться текст “prog” и от того какую кнопку затем нажмем, зависит дальнейшее.
Нажав “PPWR” индикатор гаснет, в левом знакоместе появляется курсор и можно вводить значение опорной частоты для прямой боковой полосы. Если частота меньше 10 Мгц, то первая вводимая цифра это “0”. Например, 0887505. Последняя цифра это десятки герц и может быть либо 0, либо 5. После этого высвечивается “End”
Нажав “ATT” вводим значение опорной частоты для реверсной боковой полосы. Нужно учитывать следующее. При переключении диапазонов включается прямая боковая полоса и на выводе 7 J4 “REV” будет единичный уровень.
Если нажать кнопку “REV”, то индикатор гаснет, загорается “0” и появляется курсор. “0” это 1,9 Мгц. Можно ввести две цифры, после чего на месте “0” загорится “1”, это 3,5 Мгц. Вводим еще две цифры и так далее. На цифре “9” вводим 00.
Первая цифра это на сколько делить (на данном диапазоне) микросхемой U2 частоту ГУНа. 7 делим на 2, 6 делим на 3 … 0 делим на 9.
Вторая цифра, это какой и сколько подстроечных конденсаторов подключить к ГУНу. 0 ни один из них неподключен. 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.
Как выбрать эти параметры разберем на примере.
Промежуточная частота 8872 Кгц. Частоты, выдаваемые синтезатором, в два раза больше необходимых (с последующим делением на два мс 74АС74, устанавливаемой в трансивере возле смесителя). На диапазонах от 1,9 до 10 Мгц частоты, подаваемые на смеситель выше принимаемых, а на остальных ниже.
- 28000 – 8872 = 19128 * 2 =39256
- 29700 – 8872 = 20828 * 2 = 41656
Частоту ГУНа можно выбрать только в два раза больше (78512 – 83312) и это будет базовый диапазон частот. Здесь дополнительных конденсаторов подключать не будем, и делить частоту ГУНа будем на два. На других диапазонах можно подбирая делитель попытаться попасть в 78512 – 83312 или сгруппировать в два, три участка частот подключая дополнительные конденсаторы.
- 24890 – 8872 = 16018 * 2 = 32036 24990 – 8872 = 16118 * 2 = 32236
- 21000 – 8872 = 12128 * 2 = 24256 21345 – 8872 = 12473 * 2 = 24946
- 18068 – 8872 = 9196 * 2 = 18392 18168 – 8872 = 9296 * 2 =18592
- 14000 – 8872 = 5128 * 2 = 10256 14350 – 8872 = 5478 * 2 = 10956
- 10000 + 8872 = 18872 * 2 = 37744 10150 + 8872 = 19022 * 2 = 38044
- 7000 + 8872 = 15872 * 2 = 31744 7100 + 8872 = 15972 * 2 = 31944
- 3500 + 8872 = 12372 * 2 = 24744 3800 + 8872 = 12672 * 2 = 25344
- 1810 + 8872 = 10682 * 2 = 21364 2000 + 8872 = 10872 * 2 = 21744
Исходя из этих результатов, можно выбрать три группы частот.
28 = 39256 – 41656 * 2 = 78512 – 83312
78512 – 83312 без дополнительных конденсаторов
- 3,5 = 24744 – 25344 * 3 = 74232 – 76032
- 10 = 37744 – 38044 * 2 = 75488 – 76088
- 14 = 10256 – 10956 * 7 = 71792 – 76692
- 18 = 18392 – 18592 * 4 = 73568 – 74368
- 21 = 24256 – 24946 * 3 = 72768 – 74838
71792 – 76692 подключаем конденсатор, сдвигая вниз диапазон перестройки
- 1,9 = 21364 – 21744 * 3 = 64092 – 65232 делим ГУН на 3
- 7 = 31744 – 31944 * 2 = 63488 – 63888 делим ГУН на 2
- 24 = 32036 – 32236 * 2 = 64072 – 64472
63488 – 65232 подключаем все три конденсатора, еще больше сдвигаем диапазон перестройки вниз.
Итак, например 1,9 Мгц. Делить нужно на 3. Значит, первая цифра будет 6 (см выше). Подключаем С10. Значит, вторая цифра будет 1 и так далее.
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. То есть образцовые частоты для фазового детектора зависят от коэффициента деления ГУНа.
Занеся в память контроллера все необходимые установки можно приступить к настройке ГУНа. Для этого, нужно временно отпаяв резистор R19 от вывода 13 U5 соединить со средним движком переменного резистора (около 10 ком) а крайние выводы с +9 вольт и GND. Включаем диапазон 28 Мгц, а частотомер к эмиттеру Q3 или Q4 и, изменяя напряжение на варикапах от 1,5 – 2 до 8 вольт, укладываем диапазон перестройки ГУНа (78512 – 83312). На нижней частоте, сжимая или растягивая витки катушки L1, а на верхней подбирая конденсатор С8. Применяя варикапы КВ132, это получается без проблем. В случае применения КВ109, КВ102 или им подобных может потребоваться включить по два параллельно в каждое плечо. Подбирая резистор R4, устанавливаем максимальное усиление транзистора Q1, при этом на эмиттерах Q3, Q4 получается около 5 – 6 вольт постоянного напряжения. Контролировать частоту можно и на разъеме J5, но частота здесь будет в два раза меньше (на этом диапазоне). Возможно, потребуется подобрать делитель R10, R11 по максимальной чувствительности тактового входа этого делителя (аналогично и R8 и R9).
Затем включаем диапазон из следующей частотной группы, в данном случае 14 Мгц (71792 – 76692) и, подстраивая конденсатор C10, получаем нужную перестройку по частоте. На следующем частотном диапазоне (63488 – 65232), не трогая С10, подстраиваем С11, С12. Можно заметить, что и при отключенных подстроечных конденсаторах через проходную емкость коммутирующих транзисторов они в некоторой степени оказывают влияние на частоту ГУНа. Так повторяя подстройки, мы последовательно приближаемся к нужному результату.
Далее восстанавливаем соединение резистора R19 с выводом 13 U5. Не устанавливая конденсатор С17 (для максимальной чувствительности) наблюдаем за свечением светодиода LOCK. Он будет вспыхивать при переключении диапазонов. Перестраивая частоту на разных диапазонах, еще раз подстраиваем диапазоны перестройки ГУНа. Свечения светодиода не должно быть даже на крайних частотах перестройки. Дело здесь вот в чем. В режиме захвата вывод 13 U5 отключается от внутренней схемы фазового детектора и напряжение на варикапах и конденсаторах пропорционально – интегрирующего фильтра изменяется только за счет утечек в конденсаторах и дорожках печатной платы. Если напряжение на варикапах уменьшится до напряжения развиваемого на контуре (в нижнем конце диапазона перестройки, обычно около 1 – 1,5 вольта), то варикапы начнут детектировать генерируемое напряжение. Помимо ухудшения добротности контура, фазовый детектор будет вынужден непрерывно компенсировать это дополнительное выпрямленное напряжение и генерация будет промодулирована, то есть тон будет хриплый. То же будет, если напряжения девяти вольт будет мало в верхнем конце диапазона перестройки.
Остается настроить поточнее кварцевый генератор контроллера на частоту 8001,6 Кгц.
Затем, вращая валкодер, проверяем четкость его работы. Для его настройки можно осторожно подобрать ток светодиодов и резисторы R16, R17, а также 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. Идеально это когда сдвиг между импульсами будет 90 градусов, то есть когда одна оптопара находится по центру отверстия диска валкодера, то вторая на срезе. Фотодиоды оптопар подключены катодами к точкам “FD1” и “FD2” на плате клавиатуры, а анодами на корпус (GND). Светодиоды оптопар подключены анодами через резисторы к шине +5 вольт, а катодами на корпус (LED_VAL).
Оптроны проще всего применить из испорченных “мышек” от компьютеров. В современных “мышках” используют двойные фотодиоды, что удобнее (достаточно одного корпуса светодиодов). Но следует помнить, что дырочки в диске валкодера должны перемещаться вдоль выводов фотодиода, а не поперек.
Диск с отверстиями можно изготовить следующим образом. Подбираем шестеренку диаметром около 4 –5 см имеющую 60 – 70 зубьев. Вырезаем из тонкой 0,5 – 0,8 мм дюрали заготовку немного больше этой шестеренки. Сверлим по центру отверстие и временно сжимаем винтом и гайкой вместе шестеренку и заготовку. Затем, закрепив этот пакет и вставляя сверло 0,8 – 1,5 мм в каждую впадину зубчиков шестеренки, используя их как кондуктор, сверлим по кругу дырочки. Расстояние между дырочками должно быть равно диаметру этих дырочек.
Дополнительная схема (Рис 11) обеспечивает сохранение текущего состояния при выключении или внезапном пропадании питания.
В этом случае контроллер переходит в “ спящий” режим. При возобновлении питания транзистор Q1 обеспечивает перезапуск синтезатора с сохранившимися данными в памяти контроллера. Плата (Рис 12) разведена для использования батареедержателя трехвольтовой батарейки от материнской платы компьютера. Можно также применить батарейки от наручных часов, соединив их последовательно (3 – 4 штуки), а так же любые другие. Вместо батарейки можно использовать конденсатор с малой утечкой, емкостью 1000 мкф и более. Для этого нужно замкнуть диод VD1 на дополнительной плате перемычкой и на основной плате применить диод VD5 более мощный, например КД226. Резистор R4 определяет ток подзарядки элемента питания. Выводы разъема J1 соединяем с одноименными выводами разъема J3 основной платы синтезатора и снимаем ранее установленную перемычку с диода VD5.
Следующая дополнительная схема (Рис 13) 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.
Монтажка на рис 14. Ножка 1 разъема J5, это +12 вольт. VCC это питание микросхем +5 вольт. Дешифратор 155ИД10 имеет выхода с открытым коллектором (как и 155ЛН3). Вывод 1 разъема J3 это диапазон 160 метров, вывод 2 это 80 метров и так далее. Выводы 1 разъема J4 это CLK, 2 – GND, 3 – DATA, подключаются к одноименным выводам разъема J3 основной платы синтезатора.
P.S. Я думаю, что этой информации будет достаточно для самостоятельного изготовления синтезатора и надеюсь будет хорошей заменой ГПД в наших самоделках.
Отвечу на часто задаваемые вопросы.
Буду очень признателен за обнаруженные ошибки и замечания.