Универсальный синтезатор частоты

Синтезатор частоты предназначен для использования в узлах портативных и стационарных КВ и УКВ радиопередающих и приемных устройствах.

Основные характеристики:

• Диапазон рабочих частот ... 5 - 185 мГц

• Минимальный шаг частоты перестройки, для диапазона:

144 МГц		2,5кГц
51 МГц		1 кГц
27 МГц		0,5 кГц
14 МГц		0,25 кГц
7 МГц		0,125 кГц

• Вычитание ПЧ прием/передача (программируется пользователем)

• 28 энергонезависимых ячеек памяти частот

• Режим для работы через ретранслятор

• Напряжение питания: 4 - 15 В

• Ток потребления: 3 - 9 мА

• Индикация частоты на ЖКИ-дисплее

• Часы

• Микропроцессорное управление

Принцип действия

Блок-схема синтезатора частоты приведена на рис. 1.

Принцип действия синтезатора основан на сравнении двух частот: частота опорного генератора через делитель с переменным коэффициентом деления ДПКД R (его частота определяет минимальный шаг перестройки) поступает на фазовый детектор, туда же поступает частота с ГУНа предварительно деленная ДПКД N (делитель ДПКД N предназначен для перестройки по частоте синтезатора). Выходное напряжение сигнала ошибки с ФД фильтруется ФНЧ, который определяет полосу захвата и полосу удержания кольца ФАПЧ. Затем отфильтрованное напряжение поступает на варикапы управляемого генератора и производит его подстройку до совпадения частоты ДПКД R и частоты ДПКД N с учетом коэффициентов деления.

Микросхема, примененная в данном синтезаторе частоты MC145170-2 предназначена для построения современных цифровых частотных синтезаторов с ФАПЧ для КВ и УКВ диапазонов.

Основные характеристики:

В состав микросхемы входят (см. структурную схему на рис.2) генератор образцовой частоты, пятнадцатиразрядный программируемый делитель образцовой частоты R, усилитель-формирователь входных ВЧ импульсов, шестнадцатиразрядный входной программируемый делитель N, дополнительный четырехразрядный делитель частоты кварцевого резонатора с программируемым коэффициентом деления, управляющий регистр C, два частотно-фазовых детектора, детектор захвата частоты, логический блок управления, приемные и буферные регистры.

Принципиальная схема (блок контроллера) рис. 3. На резисторе R3 и светодиоде VD3 собран параметрический стабилизатор напряжения +1,5В для питания ЖКИ индикатора. В случае использования устройства в портативной аппаратуре, можно исключить батарею 1,5 в и диоды VD1-VD2 подключив правый вывод (на принципиальной схеме) R3 непосредственно к питающей батарее. На резисторах R8-R11 собрана схема преобразования уровня сигналов подаваемых на ЖКИ. Функцию управления ЖКИ, синтезатора DD2 и обработку управляющих сигналов кнопок осуществляет контроллер (однокристальная микроЭВМ) DD1. Дребезг подключенных к нему кнопок устраняется программно. "Подтягивающие" резисторы R4-R7, R12 можно не устанавливать т.к. они имеются в контроллере, но при большом уровне помех и наводок желательно их установить. Цепь R14 C4 служит для установки в исходное состояние контроллера при включении питания, ее также можно исключить, соединив вывод 4 DD1 с шиной +5в, но если напряжение питания при включении нарастает слишком медленно её нужно установить. R13 C3 определяют рабочую частоту контроллера, C3 можно подобрать для увеличения или уменьшения скорости работы и опроса кнопок. Цепь R15 R16 C5 является интегратором сигнала от детектора захвата ИС DD2, резистор R15 возможно придется подобрать для получения более точных показаний ухода частоты, которые проявляются на ЖКИ в виде буква F в левом углу.

Через линии порта A0-A2 организованна шина SPI по которой происходит обмен информацией между контроллером DD1 и микросхемой синтезатора МС145170 для управления ее работой. Конденсатор C6 служит для устранения ложных импульсов по сигналу управления, первоначально его устанавливать не нужно, но если при включении питания и в моменты управления передается неправильная информация на ИС синтезатора то его надо установить. Кварцевый резонатор ZQ1 подключен к опорному генератору ИС синтезатора и определяет точность исходной частоты синтезатора, более точно настроить его можно при помощи подстроечного конденсатора C10. На микросхеме U1 выполнен стабилизатор напряжения +5В для питания синтезатора частоты.

ФНЧ.

Существует два варианта ФНЧ определяющие область применения синтезатора:

1. Сигнал с фазового детектора B поступает на ФНЧ выполненном на ОУ. Этот способ пригоден для устройств с питанием порядка 9-15 В, при этом величина напряжения настройки подаваемое на ГУН определяется напряжением питания ОУ, что в свою очередь обеспечивает более широкий диапазон перекрытия ГУНом. Не рекомендуется применять для приемников.

2. Сигнал с фазового детектора A подается на ФНЧ выполненный на RC цепи. В этом случае напряжение питания может составлять 4-5 В (соответственно размах управляющего напряжения на ГУН будет меньше напряжения питания), стабилизатор и ОУ в данном случае не нужны. Что в общем позволяет снизить потребляемый ток, но требует ГУНа который перекрывал бы необходимый диапазон при малых управляющих напряжениях.

ГУН на диапазон 2М

Схема приемника.

Конструкция и детали.

Светодиод VD3 красного свечения. Десятиразрядный ЖКИ индикатор с внутренним контроллером HT1610 от импортных телефонов. ОУ DA1 можно заменить на менее скоростной УД708, но при этом уменьшится диапазон выходного напряжения перестройки ГУНа. Стабилизатор 78L05 заменим на КР1157ЕН5. Пищалка BQ1 пьезоэлектрическая, например ЗП-1.

Настройка.

Предварительно синтезатор можно настраивать без подключения к ГУНу. Первичная настройка сводиться к установке деталей кроме ИС и ЖКИ, и проверке питающих напряжений: +5В с выхода стабилизатора U1; так же наличие +1,5В в точке соединения VD1 и VD2, его значение можно подобрать заменой светодиода. Далее установить микросхемы и индикатор. При подаче напряжения питания должен прозвучать звуковой сигнал пьезопищалки BQ1 и измениться показания индикатора. Далее проверить частотомером частоту на выводах ИС DD2 должны присутствовать следующие частоты: выв. 2 - 6,0 МГц, выв.9 - 5 кГц. Обратите внимание на правильность показаний на выв. 9, т.к. измеряемые там импульсы имеют слишком маленькую длительность.

Настройте ГУН по частотомеру, подав управляющее напряжение с делителя напряжения (переменного резистора) добившись перекрытия по выбранному диапазону. Далее к синтезатору заранее запрограммированному на выбранный диапазон подключите ГУН.

Проверьте осциллографом напряжение в точке "напряжение на ГУН" оно должно быть постоянным без выбросов и изменяться при нажатии кнопок перестройки частоты. Наличие выбросов и колебания напряжения настройки свидетельствуют о недостаточной амплитуде сигнала обратной связи, оно должно лежать в пределах 0,5 В. Пропадание буквы F на индикаторе свидетельствует о правильной работе синтезатора, а появление о выходе частоты за пределы захвата петли ФАПЧ.

Управление, программирование

После подключения питания, показания индикатора будут иметь следующий вид:

Управление осуществляется при помощи четырех многофункциональных кнопок.
Основные функции кнопок:

• SA1 - увеличение частоты на 4 минимальных шага перестройки

• SA2 - уменьшение частоты на 4 минимальных шага перестройки

• SA3 - увеличение частоты на 1 минимальный шаг перестройки

• SA4 - уменьшение частоты на 1 минимальный шаг перестройки

Дополнительные функции кнопок:
Одновременное нажатие на SA3 SA4 изменяет значения шага перестройки частоты в 5 раз, т.е.:

• SA1 - увеличение частоты на 20 минимальных шагов перестройки

• SA2 - уменьшение частоты на 20 минимальных шагов перестройки

• SA3 - увеличение частоты на 5 минимальных шагов перестройки

• SA4 - уменьшение частоты на 5 минимальных шагов перестройки

SA5 переключает режим прием/передача. В режиме "прием" происходит вычитание ПЧ. При "передаче" все управляющие кнопки блокируются.

Установка часов:
Этот режим доступен при отключенном питании синтезатора.

• SA6 - нажатие на эту кнопку переводит ЖКИ в режим коррекции времени

• SA7 - нажатие на эту кнопку производит перебор значений часов и минут в режиме коррекции времени

Быстрое сохранение установок в энергонезависимой памяти.
Первично синтезатор настроен на частоту 145,000 мГц и ПЧ 10,7. После перестройки синтезатора на необходимую частоту, ее можно сохранить как стартовую при включении. Для этого необходимо нажать одновременно SA1 SA2. Это также относиться ко всем остальным установкам (шаг, ПЧ, конфигурации...)

Режим работы с памятью.

Вход в режим работы с памятью осуществляется одновременным нажатием на кнопки SA2 SA3.
Показания индикатора будут иметь следующий вид:

В режиме работы с памятью кнопки принимают следующие функции:

• SA1 - выбор следующей "ячейки памяти"

• SA2 - выбор предыдущей "ячейки памяти"

• SA3 - выбор данной частоты и выход

• SA4 - выбор номера ячейки и выход

Одновременное нажатие на SA1 SA2 осуществит сохранение "рабочей" частоты в данную ячейку.

Сохранить частоту в ячейку памяти можно и иным способом: в режиме "Память" выбрать нужную ячейку, нажать SA4 для выхода в главное меню, и нажатием на SA1 SA2 сохранить частоту, при этом данная ячейка становится стартовой при включении питания.

Примечание. Так как индикатор не позволяет создавать необходимые символы, буква P и соответственно слово "Pamyat`" были использованы как единственная альтернатива слова "Память".

Ячейки памяти для работы через ретранслятор
Ячейки памяти с номерами 25-27 предназначены для хранения значений ПЧ при работе с ретранслятором (см. ниже). Если режим работы через ретранслятор не будет использоваться, то их можно использовать как обычные ячейки для хранения значений частот.

Режим для работы через ретранслятор

Включение/отключение данного режима осуществляется одновременным нажатием на кнопки SA2 SA4. При этом если есть захват частоты (символ F не отображается) показания индикатора будут такими:

Режим ретранслятор предусматривает различные варианты ПЧ, переключить их можно одновременным нажатием на кнопки SA1 SA3.

1. В режиме "Прием" происходит вычитание значения записанного в ячейку памяти №27 из частоты "передачи". По умолчанию 600 кГц 

2. В режиме "Прием" происходит прибавление значения записанного в ячейку памяти №26 к частоте "передачи". По умолчанию 600 кГц 

3. В режиме "Прием" происходит вычитание значения записанного в ячейку памяти №25 из частоты "передачи". По умолчанию 10100 кГц

Обратите внимание! Если были изменены значения минимального шага в "Установках основных параметров" (см. ниже), то значения ПЧ в ячейках памяти 27-25 тоже необходимо изменить (см. работа с памятью).

Режим установок основных параметров.

Позволяет осуществить:

1. Выбор рабочей частоты (делитель N)

2. Выбор частоты ПЧ

3. Выбор значения делителя кварцевого генератора (делитель R)

4. Выбор значения умножения коэффициента делителя N при выводе показания частоты на индикатор

5. Конфигурацию управляющего регистра C

Вход в режим установок основных параметров осуществляется одновременным нажатием на кнопки SA1 SA4.

Показания индикатора будут иметь следующий вид:

В режиме установок параметров кнопки принимают следующие функции: 

• SA1 - увеличение "значения" на 1

• SA2 - уменьшение "значения" на 1

• SA3 - выбор следующего номера параметра для редактирования

• SA4 - выход из режима установок параметров со сделанными изменениями

В следующей таблице приведены некоторые значения для ввода:

*Примечание. Если к имеющемуся значению множителя индикатора (параметр №6) прибавить 128, то на индикаторе в режиме "Прием" будет отображаться реальная частота приема (частота "передачи" минус ПЧ).
**Примечание. При рабочей частоте 7 МГц необходимо использовать кварц задающего генератора ИС синтезатора на частоту 4,0 МГц.

Параметр №7. В следующей таблице приведены значения параметра №7 для настройки используемого ФНЧ, полярности сигнала петли ФАПЧ, и буферов fV и fR. Везде установлен делитель REFout / 16.

Самостоятельная настройка конфигурации управляющего регистра С.

Для перевода конфигурации бит (двоичное число) в десятичное значение, можно воспользоваться следующим вычислением:

(C7*128)+(C6*64)+(C5*32)+(C4*16)+(C3*8)+(C2*4)+(C1*2)+(C0*1)=X (значение для ввода)

Пример: полярность импульсов прямая, фазовый детектор А, детектор захвата включен, делитель на 4, буферы выключены.

(0*128)+(1*64)+(1*32)+(0*16)+(1*8)+(1*4)+(0*2)+(0*1)=108

Таким образом, в конфигурацию регистра C (параметр номер 7) необходимо записать значение 108.

Пример самостоятельного расчета рабочей частоты, ПЧ и частоты кварца задающего генератора.

Для примера берем значение частоты 72,0 МГц, ПЧ 10,7, кварц задающего генератора возьмем 4,0 МГц

1. Округляем частоту 72.000.000 до 5ти значного числа (кГц), т.е. до 72000. Смотрим, больше ли оно максимального коэффициента деления делителя N (65535). Если больше, берем его значение в 2 раза меньше т.е. 72000/2=36000 - значение в делитель N которое в дальнейшем для ввода нужно разбить на 2 байта. Если число оказалось еще большим то нужно делить его на любое целое число для того чтобы результат был приближен к максимальному коэффициенту деления делителя N. Если значение частоты оказалось меньше делителя N то его необходимо приблизить к максимальному значению делителя N умножением на целое число для получения значения минимального шага частоты.

2. Определим минимальный шаг (частота в Гц) : 72.000.000/36000=2000 Гц.

3. Определяем значение для ввода ПЧ 10,7 МГц, округляем до 5ти значного числа (кГц) =10700 делим на 2 так как мы коэффициент для делителя N взяли тоже в 2 раза меньше (либо умножать, в зависимости от выбранной частоты, на число взятое для приближения к делителю N) 10700/2=5350 - значение в ПЧ для ввода так же необходимо разбить на 2 байта.

4. Вычисляем делитель кварца. Делим частоту кварца на частоту минимального шага: 4.000.000/2000=2000 - значение в делитель R также нужно разбить на два байта.

5. Устанавливаем множитель частоты для вывода на индикаторе: это число, ранее взятое для приближения к максимальному значению делителя N - значение в Множ. инд.

Разбиваем полученные результаты на 2 байта, вычисляем их:

Разбиваемое число (Ч), старший байт (С), младший байт (М).

Старший байт: (Ч)/256 = (берем округленное значение) (С)
Младший байт: (Ч)-256*(С) = (М).

Проверить вычисления можно: (М)+256*(С) = (Ч).

Для наглядности вычислим значения для делителя N.

36000/256 = 140 (С)

36000-256*140 = 160 (М)

Проверяем: 160+256*140 = 36000.

Получаются следующие значения:

После ввода значений, выйти из режима редактирования нажатием SA4 и проверить правильность настроек. Для их запоминания при следующем включении питания нажать одновременно SA1 SA2.

"Быстрая инструкция" по управлению.

Второй вариант синтезатора с аналогичными параметрами и возможностями, но с управлением при помощи компьютерной PS/2 мыши которая выполняет роль валкодера.

Принципиальная схема блока управления синтезатора при помощи мыши.

"Быстрая инструкция" по управлению мышью.

Буквы Л, С, П означают что кнопки управления синтезатора SA1-SA3 дублируют соответствующие кнопки мыши.

Юрий Сафонов (RA6LTG), y_safonov@mail.ru