Материал публикуется с любезного разрешения автора.

Многофункциональный генератор качающейся частоты 100 кГц...2 ГГц
Формирователь частотных меток.


Александр Кравченко, Украина
E-mail: alderkra{собака}ukr.net

Январь 2005 г.

На схеме рис.2, формирователь частотных меток обозначен как блок Б13. Назначение блока: получить на линии развертки осциллографа (при работе ГКЧ в режиме качания частоты) шкалу из прямоугольных меток 100, 10, 1 МГц и 100 кГц, а также внешнюю метку, при подаче на вход внешней метки сигнала от внешнего генератора, частотой от 1 МГц до 2000 МГц и уровнем -30...-60 дБ/В, при условии, что частота внешнего генератора попадает в полосу качания ГКЧ. В случае подачи на вход внешней метки смеси сигналов от нескольких генераторов с разными частотами, на линии развертки осциллографа будут присутствовать несколько меток одновременно, соответствующих частотам подключенных генераторов. Такая функция формирователя позволяет использовать его в качестве примитивного анализатора спектра, работающего по принципу приемника прямого преобразования, в котором отсутствуют входные фильтры.

Для работы формирователя, на него необходимо подавать радиочастотный сигнал ГКЧ частотой от 0,1 МГц до 2000 МГц и частотой качания 15...30 Гц. Частота качания ГКЧ должна быть синхронизирована с частотой развертки осциллографа. Для надежной работы формирователя, уровень сигнала ГКЧ должен находится в пределах -15...-21 дБ/В, а уровень побочных спектральных составляющих сигнала ГКЧ не должен превышать -20 дБ.

Кварцованные частотные метки формируются путем смешивания в стробоскопическом смесителе выходного сигнала ГКЧ, с импульсами, частота повторения которых для меток, кратных 100 кГц, равна 100 кГц, для меток кратных 1 МГц, равна 1 МГц, для меток кратных 10 МГц, равна 10 МГц, и для меток кратных 100 МГц, равна 100 МГц. Частотный спектр импульсов перекрывает частотный диапазон ГКЧ. При приближении частоты ГКЧ к частоте гармоники импульсов, на выходе смесителя появляются биения, напряжения которых после усиления используются в качестве частотных меток.

Схема формирователя частотных меток представлена в виде двух частей: рис.15 и рис.16. В качестве источника сигнала опорной частоты в формирователе имеется генератор, построенный по схеме Батлера (рис.15), собранный на транзисторах VT1, VT2 (КТ315Г). Частота генерируемого сигнала 50 МГц, стабилизирована пятой механической гармоникой кварцевого резонатора Z1 (10 МГц). Контур L2, C4, C5 в резонанс подстраивается конденсатором C4. Сигнал частотой 50 МГц усиливается каскадом на транзисторе VT3 (КТ315Г). Удвоитель частоты собран на диодах VD1, VD2 (3А111А). Контур L5, C11, C12 настроен на частоту 100 МГц, и подавляет сигнал частотой 50 МГц. Сигнал частотой 100 МГц усиливается усилителем, собранным на транзисторе VT4 (КТ326Б). Регулировкой подстроечного конденсатора C15, контур L6, C15 настраивается на частоту 100 МГц.

Схема

Сигнал частотой 10 МГц генерируется генератором, собранным на транзисторе VT6 (КТ315Г), синхронизируемый сигналом частотой 50 МГц, снимаемым с повторителя, собранного на транзисторе VT5 (КТ315Г). Контур генератора L7, C18, C19 в резонанс настраивается с помощью индуктивности L7. Далее сигнал частотой 10 МГц усиливается в усилителях-ограничителях, собранных на транзисторах VT7 и VT10 (КТ315Г).

Сигнал частотой 1 МГц получается делением частоты 10 МГц на 10 при помощи счетчика, выполненного на микросхеме DD2 (К155ИЕ2). Далее сигнал частотой 1 МГц усиливается в усилителях-ограничителях, собранных на транзисторах VT9 и VT11 (КТ315Г).

Сигнал частотой 100 кГц получается деление частоты 1 МГц на 10 при помощи счетчика, выполненного на микросхеме DD2 (К155ИЕ2). Далее сигнал частотой 100 кГц усиливается усилителем-ограничителем, собранным на транзисторе VT12 (КТ315Г).

Каналы формирования частотных меток кратных 100 , 10, 1 МГц и 100 кГц, имеют аналогичные схемы, начиная с формирователей коротких импульсов, собранных на элементах VT13, VD6, VD8, VD10, и индуктивностях L12, L13, L14, L15. В промышленном приборе Х1-42, из схемы которого взят принцип получения коротких импульсов, для получения коротких импульсов используются схемы на диодах с накоплением заряда - 1А401А. Из-за невозможности приобрести такие диоды, на время разработки формирователя, вместо них в канале 100 МГц применен коллекторный переход транзистора КТ3109А, а в каналах 10, 1 МГц и 100 кГц использованы диоды КД409А. Эти замененные элементы выбраны экспериментально, из всех имеющихся в наличии p-n переходов - по наиболее широкому спектру коротких импульсов. Но возможно диоды 1А401А будут работать лучше, чем их замена.

Короткие импульсы, имеющие широкий спектр частот, подаются на смесители собранные на диодах VD5, VD7, VD9, VD11 (3А111А).
При формировании метки от внешнего генератора, сигнал подается на смеситель собранный на диоде VD12 (3А111А).
Одновременно на смесители подается выходной сигнал ГКЧ в диапазоне частот 0,1...2000 МГц. Со смесителей, напряжения низкочастотных биений усиливаются предварительными усилителями, собранными на транзисторах VT14, VT15, VT16, VT17 (КТ315Г) и транзисторе VT18 (КТ3102В).

Схема

В дальнейшем сигналы низкочастотных биений усиливаются усилителями (рис.16), собранными на транзисторах: VT1-VT4, VT8-VT10, VT14-VT16, VT20-VT22, VT26 (КТ315Г). Полосы пропускания усилителей ограничены при помощи конденсаторов, включенных между коллекторами и базами транзисторов. Сигналы биений (кроме сигнала биений для внешней метки) подаются на детекторы, собранные на диодах VD1, VD3, VD5, VD7 (КД522А). Детектированные сигналы усиливаются в УПТ, собранных на транзисторах VT5-VT7, VT11-VT13, VT17-VT19, VT23-VT25, и ограничиваются до уровня 6,8 В стабилитронами VD2, VD4, VD6, VD8 (КС168А).

С ростом частоты уровень гармоник коротких импульсов уменьшается, а особенно в канале 100 кГц. По этой причине канал формирования меток, кратных 100 кГц, на частотах выше 1 ГГц, работает не устойчиво, а может и совсем не формировать меток.

Формирователь коротких импульсов частотой 100 МГц, может создавать помеху каналу формирования внешней метки, при этом во время наблюдения внешней метки, могут появляться ложные метки на частотах кратных 100 МГц. Для возможности временного внешнего отключения формирователя коротких импульсов частотой 100 МГц, питание +12 В к усилителю на транзисторе VT4 (рис.15) подведено по отдельной цепи.

С целью уменьшения радиопомех, создаваемых формирователем частотных меток, все входящие напряжения, и выходящие сигналы подключены через фильтры, препятствующие выходу радиочастотных сигналов по этим цепям из экранированного корпуса.

Перед настройкой необходимо проверить ток потребления по цепи +12 В. В моей конструкции он составляет 250 мА, а также ток через стабилитрон VD4, который должен находится в пределах 5...10 мА. Изменением емкости конденсатора С4, а при необходимости и подбором С5, необходимо добиться генерации генератора на транзисторах VT1, VT2 на пятой механической гармонике кварцевого резонатора, равной 50 МГц. При отсутствии ВЧ измерительных приборов, частоту (грубо) можно проконтролировать с помощью FM радиоприемника, по второй гармонике генерируемого сигнала, равной 100 МГц. Далее подключают ВЧ милливольтметр к базе VT4, и изменением емкости C9 и С12 добиваются максимума показаний милливольтметра. Далее подключают милливольтметр к базе VT13, и изменением емкости С15 добиваются максимума показаний. Правильной настройке контуров должны соответствовать не крайние положения роторов подстроечных конденсаторов, в противном случае необходимо изменить индуктивность соответствующих катушек - растягиванием или сжатием витков, или изменением количества витков. При отсутствии ВЧ милливольтметра, контура можно настраивать, контролируя осциллографом уровень детектированного сигнала на выходе высокоомной детекторной головки. Уровни напряжений для настроенных контуров, на выходе высокоомной дететорной головки, подключенной к разным точкам схемы рис.15, в моей конструкции составляют: коллектор VT1 - 10,5 В; база VT3 - 1 В; коллектор VT3 - 10,5 В; конденсатор C12 - 2 В; база VT4 - 1,5 В; коллектор VT4 - 5 В; база VT13 - 1 В. Для получения таких же уровней, при точной настройке контуров, возможно, придется подобрать емкость конденсатора C8, или других переходных межкаскадных конденсаторов.

Вращением сердечника катушки L7 добиваются синхронизации генератора 10 МГц. Частоту контролируют частотомером, или осциллографом. В крайнем случае можно использовать вещательный радиоприемник, контролируя частоту 10 МГц или 1 МГц бесконтактно, по радиоизлучению схемы, предварительно отключив делитель частоты, следующий за каскадом, выходная частота которого контролируется. При правильной настройке контура на катушке L7, вращение сердечника L7 в небольших пределах, не должно влиять на частоту генератора 10 МГц. Уровни напряжений для настроенного генератора 10 МГц, на выходе высокоомной детекторной головки подключенной к ниже указанным точкам схемы, в моей конструкции составляют: база VT5 - 1,8 В; база VT7 - 4 В.

Дальнейшую настройку выполняют с подачей на формирователь ВЧ сигнала от генератора качающейся частоты уровнем -18 дБ/В (312 мкВт). При настройке формирователя в составе данного ГКЧ, как минимум, должны быть изготовлены два генераторных блока 0,1...60 МГц и 470...1000 МГц, а также правильно работать схема АРМ. Каналы формирования частотных меток настраивают поочередно. Вход осциллографа подключают к выходу усилителя настраиваемого канала (рис.16) - коллектору одного из транзисторов: VT4, VT10, VT16, VT22. Для удобства настройки, развертку осциллографа синхронизируют с частотой качания ГКЧ. Изменением параметров индуктивностей L12, L13, L14, L15 (рис.15), добиваются минимальной разности амплитуд биений в диапазоне частот ГКЧ 0,1...1000 МГц, для каждого канала. Для канала 100 МГц, необходимо добиться минимальной амплитуды ложных биений, кратных частоте 50 МГц - более точной подстройкой конденсаторов С9, С12, С15. При необходимости подбирают емкость конденсаторов C17 и C33. Теперь осциллограф поочередно подключают к выходам формирователей прямоугольных меток - коллекторам транзисторов VT7, VT13, VT19, VT25 (рис.16). Изменением усиления в усилителе настраиваемого канала, подстройкой сопротивления одного из резисторов R1, R24, R38, R53, добиваются появления четких прямоугольных меток на всех диапазонах частот ГКЧ. Оптимальной полосой качания частоты ГКЧ, для удобства наблюдения, является полоса при которой на линии развертки осциллографа видны не более 20 меток. В таких режимах и нужно настраивать каждый канал. В данном ГКЧ уровень ВЧ сигнала, подаваемого на формирователь, может изменятся от -28 дБ/В до -11 дБ/В (при регулировке мощности при помощи внутреннего аттенюатора). Необходимо проконтролировать, чтоб прямоугольные метки имели удовлетворительный вид и не исчезали в этом диапазоне уровней сигнала ГКЧ, и на всех диапазонах частот ГКЧ.

Недостатком смесителя, формирующего внешнюю метку, является то, что часть мощности сигнала ГКЧ проходит на вход внешней метки. Это следует учитывать при работе с прибором. Привожу уровни ВЧ сигналов для разных частот, измеренные в моей конструкции на нагрузке 50 Ом, подключенной к входу внешней метки: 50 МГц - -66 дБ/В; 100 МГц - -73 дБ/В; 200 МГц - -70 дБ/В; 300 МГц - -67 дБ/В; 400 МГц - -64 дБ/В; 600 МГц - -63 дБ/В; 1000 МГц - -53 дБ/В. Измерения производились при уровне ВЧ сигнала, подводимого к входу для сигнала ГКЧ - -18 дБ/В.

Конструктивно формирователь выполнен в корпусе из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (можно из металла). Внутренняя часть корпуса имеет размер 222 х 78 мм и высоту 48 мм. В корпусе закреплены две платы, имеющие размеры 195 х 77 мм и 130 х 77 мм, соответственно схемам рис.15 и рис.16. Передняя стенка корпуса, соответствующая внутреннему размеру корпуса 78 х 48 мм, изготавливается из двустороннего фольгированного стеклотекстолита, и выступает за габариты корпуса сверху и снизу на 1 см. За эти выступы формирователь крепят в дальнейшем к внутренней части передней панели ГКЧ, предварительно просверлив отверстия (в выступах) и припаяв гайки. В средней части передней стенки корпуса формирователя крепят гнездо для входа внешней метки, а на боковой стенке - резьбовой штекер, для подключения сигнала ГКЧ. Гнездо и штекер, внутри корпуса, соединяют с соответствующими точками платы радиочастотным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом, при помощи паек. После настройки, корпус сверху и снизу закрывают крышками из одностороннего фольгироанного стеклотекстолита, или металла. Крышки должны иметь в нескольких точках - по периметру, электрический контакт с металлической частью корпуса.

Фильтры, установленные по цепям питающих напряжений и выходящих низкочастотных сигналов, размещены в отдельном, надежно экранированном корпусе, размещенном снаружи (можно и внутри, если хватит места), в задней части боковой стенки корпуса формирователя частотных меток.

Виды печатной платы (рис.17a, рис.17b, рис 17c) привожу только для схемы рис.15, так как на ней собрана высокочастотная часть, от конструкции которой зависят конечные параметры формирователя. Все виды печатной платы изображены со стороны разводки соединений, при этом на рисунке с деталями, одновременно видны детали, установленные на обеих сторонах платы, так, как будто стеклотекстолит прозрачный. Печатная плата изготовлена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Разводка соединений выполнена с одной стороны платы, а вся фольга противоположной стороны использована в качестве корпусного провода. Все элементы формирователей коротких импульсов, а также элементы смесителей, установлены на плате со стороны разводки соединений, и распаяны непосредственно на контактные площадки, а корпусные выводы этих элементов вставлены в просверленные отверстия и припаяны с противоположной стороны. Все остальные элементы платы установлены со стороны, противоположной разводке соединений. В местах установки деталей (со стороны корпусной части платы), вокруг просверленных отверстий, в радиусе 1 мм удаляется фольга . А в местах установки конденсаторов C4, C9, трансформатора L4 и кварцевого резонатора Z1 фольга удаляется по всему размеру этих деталей. Плату размещают в нижней части корпуса, корпусной стороной вверх. Крепят ее при помощи паек к боковой и задней стенкам корпуса - в нескольких точках по периметру. В передней части корпуса, рядом с гнездом внешней метки, корпусную часть платы соединяют пайкой с корпусом формирователя при помощи двух полосок тонкого металла шириной около 1 см.

Печатную плату, для схемы рис.16, изготавливают из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Ее размещают в верхней части корпуса деталями вверх, ближе к передней части корпуса, и крепят винтами к четырем уголкам, припаянным к боковым стенкам корпуса. Под платой на уголки устанавливают экранирующую пластину из тонкого металла, или тонкого фольгированного стеклотекстолита. Пластину покрывают изоляционным материалом (кроме мест касающихся уголков) и соединяют отрезком провода при помощи пайки со стенкой корпуса. В пластине, над установленными на нижней плате подстроечными конденсаторами, сверлятся отверстия, для возможности подстройки конденсаторов отверткой. v Катушки L2, L5, L6 и трансформатор L4, для схемы рис.15, намотаны проводом ПЭВ-2 0,45, их количество витков указано на схеме. Катушки L2, L5, L6 имеют бескаркасную конструкцию. Их мотают виток к витку на оправу диаметром 4 мм. Трансформатор L4 намотан на кольцо из высокочастотного феррита. Внешний диаметр кольца - 10 мм, внутренний - 5 мм, высота - 2 мм. Можно применить кольцо от согласующего трансформатора "польского" антенного усилителя SWA (специально его проверил, и получил хорошие результаты). Катушка L7 намотана проводом ПЭВ2-0,45, на каркас от катушки - регулятора тока накала строчной развертки МС-41. Количество витков - 18. Намотка виток к витку, и занимает 1,5 ряда. Индуктивность катушки подстраивают сердечником. Индуктивности L12, L13, L14, L15 представляют собой отрезки провода ПЭВ-2 0,45 длиной около 1 см. Увеличением или удлинением отрезков, а также изгибанием, изменяют параметры индуктивностей при настройке формирователя. Диоды 3А111А имеют безвыводную конструкцию. Их паяют легкоплавким припоем, при необходимости наращивая выводы луженым проводом. Диоды 3А111А можно заменить диодами 3А112А. В конструкции формирователя я использовал транзисторы КТ315Н, имеющиеся у меня в достаточном количестве. Но так как КТ315 с буквой "Н" мне не удалось найти ни в одном справочнике, то на схемах рис.15, рис.16 привожу транзисторы КТ315Г, аналогичные по параметрам КТ315Н.

Рекомендации по остальным деталям есть в описании конструкции ГКЧ.

При разработке формирователя не ставилась цель получить минимальные размеры, по этому плотность размещения деталей на плате не высокая, так что по этой части его можно совершенствовать.

По вопросу совершенствования схемы: лучшим вариантом было бы для получения частоты 100 МГц, использовать генератор с ФАПЧ, в котором для деления частоты на 10, применить микросхему К193ИЕ2, при этом в качестве источника опорной частоты использовать генератор на 10 МГц с кварцевым резонатором. В усилителях биений (для части схемы рис.16) лучше было бы применить операционные усилители, ограничивая их полосы пропускания при помощи RC фильтров, включенных в цепь ООС каждого усилителя. Для получения напряжения +5 В, внутри формирователя, применить стабилизатор КР142ЕН5, или использовать внешний источник питания +5 В.

[ Дальше ]

Используются технологии uCoz