ЦИФРОВАЯ АПЧ В ГЕТЕРОДИНЕ
Геннадий ЛАВРЕНТЬЕВ (UR4QDF)
Обеспечение стабильности частоты гетеродинов любительских приемно-передающих устройств всегда было актуальной проблемой. Особенно возросли требования к этому параметру с появлением цифровых видов связи. Любительские разработки цифровых синтезаторов частоты, полностью решающие проблему стабильности частоты, не получили пока широкого распространения из-за их относительной сложности. Вместе с тем существуют и более доступные варианты решения этой задачи. Об одном из них рассказывает автор предлагаемой ниже статьи.
Устройство цифровой автоподстройки частоты (ЦАПЧ) предназначено для использования совместно с универсальной цифровой шкалой (ЦШ), описание которой было приведено в [1]. Применение ЦАПЧ позволяет значительно улучшить стабильность частоты настройки трансивера.
Схема ЦАПЧ приведена на рисунке. Перестройка частоты ГПД, который дополнен таким устройством, будет дискретной с шагом 50 или 100 Гц в зависимости от ее подключения к предварительному делителю на DD2, DD3 цифровой шкалы.
Работу схемы, с шагом перестройки 100 Гц, в упрощенной форме можно представить так. Если значение младших разрядов (герцы) измеряемой частоты лежит в интервале 0...49 Гц, то по истечении времени счета на выходе предварительного делителя (вывод 8 DD3.2) будет уровень лог. 0. При дальнейшем повышении частоты на выходе делителя появляется лог. 1. Это свойство и используется в работе системы ЦАПЧ. Данный принцип не является новым. Он применялся ранее в других конструкциях, например, в [2].
Рассмотрим случай, когда частота "плывет вверх". При повышении частоты гетеродина трансивера, когда младшие разряды значения частоты попадают в диапазон 50...99 Гц, по истечении времени счета на выходе предварительного делителя ЦШ появится уровень лог. 1. Триггер DD1.2 схемы ЦАПЧ зафиксирует этот уровень и на его выводе 1 также появится лог. 1. Напряжение высокого уровня откроет транзисторный ключ VT1, что приведет к постепенному разряду интегрирующей емкости С2. Напряжение на варикапе подстройки частоты гетеродина уменьшится, и частота ГПД начинает понижаться до тех пор, пока не появится уровень лог.0 на выводе 1 триггера DD1.2 узла ЦАПЧ. Лог. 0 на этом выводе закрывает транзисторный ключ, и напряжение на интегрирующей емкости и варикапе будет постепенно повышаться. Частота ГПД также начнет повышаться.
Из описания принципа действия системы видно, что она работает при постоянном изменении частоты - "пульсациях", которые будут тем меньше, чем меньше скорость изменения частоты под воздействием системы ЦАПЧ (в пределе скорости ЦАПЧ и собственного ухода частоты ГПД сравняются). В этом случае уменьшать скорость изменения частоты можно, либо увеличив емкость интегрирующего конденсатора С2, либо увеличением номинала резистора R4. При этом надо следить за тем, чтобы она всегда превышала скорость ухода частоты самого ГПД, иначе система ЦАПЧ окажется неработоспособной (не будет захвата и удержания частоты).
Напряжение на интегрирующей емкости С2 может принимать значения от 0 до (0,7...0,9)Uпит (верхний и нижний пределы зависят от соотношения номиналов резисторов R4-R6). В зависимости от того, куда "плывет частота", напряжение будет постепенно уменьшаться или увеличиваться в указанном диапазоне, удерживая частоту ГПД. Диапазон перестройки частоты ГПД при изменении напряжения на конденсаторе С2 (в указанных раннее пределах) есть полоса удержания ЦАПЧ.
Если вы проанализируете работу ЦАПЧ в случае, когда частота "плывет вниз", то убедитесь, что она работает аналогично.
Для введения системы ЦАПЧ в ГПД трансивера необходимо выполнить ряд условий.
1. Частота гетеродина должна подаваться на вход f, (вывод 1 DD1) ЦШ.
2. Расстройка частоты ГПД должна быть не менее ±3,5 кГц.
3. Собственный уход частоты ГПД не должен превышать 200...300 Гц за 5...10 мин.
Так как протекающие процессы очень медленные, работа ЦАПЧ не увеличивает уровень шума ГПД и не ухудшает электрические параметры трансивера.
Расстройка ГПД уменьшается при введении ЦАПЧ примерно в 1,5...2 раза. Если ее сохранение принципиально, то перед подключением ЦАПЧ надо увеличить "растягивающие" емкости в цепи варикапа.
При включенной расстройке "набегает" ошибка в установке исходной частоты, что является неизбежным следствием простоты данной системы. Поэтому в режиме включенной расстройки необходимо контролировать частоту по ЦШ. Сдвиг частоты происходит эпизодически без всякого контроля, но становится маловероятным при небольшой расстройке - 200...300 Гц. Реально достижимые "пульсации" частоты ГПД - 3...5 Гц, что в большинстве случаев вполне приемлемо.
Резистором R4 подбирают постоянную времени интегрирующей цепи по минимальным "пульсациям" частоты при работающей ЦАПЧ (контролируют по частотомеру в режиме индикации единиц герц). От номиналов резисторов R4, R5 и R6 зависят полоса расстройки и ширина полосы удержания ЦАПЧ. Их подбирают (в пределах 1...3 МОм) по требуемой полосе расстройки, с одной стороны, и по надежному удержанию частоты ГПД в течение длительного времени - с другой стороны (контролируют после прогрева трансивера). При нормальной работе ЦАПЧ светодиод HL1 (индикатор работы системы) должен мигать с периодом примерно 4...15 с (зависит от скорости ухода частоты ГПД), а частота ГПД не должна изменяться более чем на ±5 Гц.
Авторский вариант системы ЦАПЧ ГПД имеет следующие характеристики: число используемых входов цифровой шкалы - 2; полоса расстройки ГПД после установки - ±2 кГц (до установки ЦАПЧ - ±3,5 кГц); первоначальный выбег частоты гетеродина ±1 кГц (в зависимости от диапазона); частота стабилизируется через 5... 10 мин прогрева трансивера; шаг перестройки частоты ГПД - 50 Гц (вход D триггера DD1.2 системы ЦАПЧ подключен к выходу 5 DD3.1 шкалы).
Система ЦАПЧ работает постоянно (без отключения). Ошибка при установке исходной частоты при включенной расстройке примерно 100 Гц на каждые 5-10 включений "прием-передача". При расстройке 200...300 Гц ошибка в установке частоты маловероятна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Буравлев В., Вартазарян С., Коломийцев В. Универсальная цифровая шкала. - Радио, 1990, № 4, с. 28-31.
2. Лаповок Я. Высокостабильный ГПД. - Радио, 1989, № 3, с.23-25; № 7, с. 31.
Радио 6/2000, с.69.