Высокостабильный гетеродин для SDR приёмника
Синтезатор частоты из тумбочных деталей для всеволнового SDR-а "Полигон". Простое воплощение ГПД с электронной стабилизацией
частоты (Huff&Puff VFO stabilizer) от Андрея Белоконя, UR5FFR
Продолжаем тему всеволнового SDR-приёмника "Полигон" под авторством Андрея Белоконя (UR5FFR), начатую на предыдущей странице. От схемы приёмной части
переходим к описанию гетеродина.
Как известно, для корректной работы квадратурных смесителей, используемых во многой SDR аппаратуре, в целом, и в SDR-приёмнике "Полигон", в частности,
необходимы несколько сигналов гетеродина со сдвигом фаз 0°, 90°, 180°, 270°. Эти фазовые сдвиги, как правило, формируются цифровыми методами, а конкретно –
посредством двух D-триггеров, что определяет частоту выходных (сдвинутых по фазе) сигналов в 4 раза более низкую, чем входная частота.
Проще говоря, для того чтобы получить на выходе такого фазовращателя сигналы в полосе частот 0...30 МГц (для перекрытия всего ДВ-КВ диапазона) нам необходим
исходный сигнал гетеродина, перекрывающий диапазон 0...120 МГц.
С другой стороны, если для супергетеродинного приёмника или приёмника прямого преобразования точность установки частоты гетеродина требуется не менее
единиц герц (для приёма SSB-сигналов), то для SDR аппаратуры дискретность установки частоты может быть гораздо выше, так как перекрываемая ей ширина диапазона
определяется частотой дискретизации звуковой карты компьютера (обычно 48 кГц, т. е. ±24 кГц от установленной частоты).
Таким образом, перестраиваясь гетеродином по частоте даже с дискретностью 20 кГц, мы гарантированно обеспечиваем непрерывность принимаемого частотного диапазона
с возможностью настройки на конкретную станцию кликом мышки (т. е. программным способом).
Обратимся к авторскому описанию гетеродина, использованного в SDR-приёмнике "Полигон" и не содержащего специализированных микросхем синтезаторов.
Высокостабильный гетеродин для SDR приёмника "Полигон".
В данном приёмнике был использован высокостабильный гетеродин с частотой 60...120 МГц с последующем делением частоты (в 2, 4 или 8 раз) посредством цифровых
делителей частоты.
Т. к. конструкция изначально задумывалась как собранная "из тумбочных" деталей, то, понятное дело, ДДС-ки и СИ-шки из рассмотрения были исключены.
Решено было применить систему ЦАПЧГ которая в зарубежной литературе фигурирует под названием Huff&Puff VFO stabilizer.
Существует три разновидности данной методы. Выбрана была самая простая с частотой коррекции, равной шагу перестройки. В лоб применять уже
существующие схемы не представлялось возможным, т. к. они предназначены для стабилизации относительно низкочастотных ГПД (до 20 МГц).
В результате недели экспериментов родилась схема, представленная на Рис.1.
Рис.1 Схема высокостабильного гетеродина SDR приёмника "Полигон"
Некоторые ремарки:
1) Детектировать фазу непосредственно на рабочей частоте задающего генератора не получилось, скорее всего, виной тому наводки.
Схема получалась очень нестабильной. Поэтому частота гетеродина предварительно делится на 8 цепочкой из трех триггеров.
2) Опорная частота (которая и определяет шаг перестройки) выбрана в 1.2 кГц и формируется счетчиком 74HC4060 из кварца 10 МГц.
С учётом деления на 8, ГПД будет перестраиваться с шагом в 8*1,2 = 9,6кгц, что более чем предостаточно.
3) Сигнал ошибки интегрируется RC-цепью R7C9C10 и далее поступает на варикап, осуществляя коррекцию ухода частоты.
Казалось бы, всё просто и банально, но кровушки она у меня все же попила )).
Начнём с задающего генератора.
Катушка L1 – три витка посеребренного провода 1 мм, отвод от 1 витка снизу.
Т. к. в качестве КПЕ очень хотелось использовать малогабаритный сдвоенный от укв-блоков с перекрытием 10-40пф, то встал вопрос минимизации всякого рода
емкостей в контуре. Были определены минимальные емкости C3 и C5. C3 влияет на запуск
генератора, C5 на амплитуду сигнала, которая должна быть достаточна для срабатывания первого триггера. Конденсатор связи варикапа с контуром
C1 выбран минимальным. И даже несмотря на это, крутизна управления составляет 32 кГц/В на частоте 64 МГц и 250 кГц/В на частоте 120 МГц.
Теперь что касается интегрирующей цепи.
Ни в одной работе по ЦАПЧ я ни разу не встретил сколь-нибудь аргументированного выбора параметров этой цепи,
а от неё, как оказалось, очень существенно зависят параметры генератора. Пришлось "изобрести" свою теорию.
В устоявшемся режиме (когда частота кратна опорной) на входе интегратора присутствует Fref/2 положительных и Fref/2 нулевых импульсов (за 1 сек).
На выходе цепи – Uпит/2 постоянного напряжения. В случае изменения входной частоты на 1 Гц/сек, у нас появится один импульс коррекции (за 1 сек).
Длительность этого импульса будет равна 1/Fref сек. При этом на выходе интегратора напряжение изменится примерно на
2.5/(Fref*R*C) вольт
(тут 2,5 вольт – амплитуда импульса коррекции). Если нам известна крутизна управления VCO (обзовем ее) dFvco, то можно составить простое уравнение:
dFvco = Fref*R*C/2.5.
При его выполнении цепь ЦАПЧ будет полностью компенсировать дрейф. Т. к. точное равенство никогда не выполняется, то интересно посмотреть что получится.
В частности, если напряжение на выходе интегратора будет меньше, чем необходимо для коррекции, то цепь всё равно стабилизируется, но время вхождения
в синхронизм будет тем дольше, чем больше соотношение крутизны управления VCO и коэффициента передачи частотного детектора.
В другом случае, когда интегратор выдает напряжения больше, чем необходимо для коррекции, наблюдается рассинхронизация системы и ни о какой стабилизации
речи быть не может.
Исходя из всего вышенаписанного, и были определены параметры цепи интеграции:
R9 = dFvco * 2.5 / (Fref * C) = 32000 * 2.5 / (1220 * 0.0002) = 327 кОм .
Расчёт вёлся для максимальной частоты, номинал резистора был выбран с 10% запасом.
В результате – система устойчива во всём диапазоне перестройки и имеет максимальную скорость коррекции на верхнем краю диапазона перестройки.
Уход проверялся в течение 12 часов. Всякие "трещалки" и "жужжалки" на панораме с места не сдвинулись. При том что катушка не экранирована и вся схема собрана
навесным монтажом, никаких "бульканий" и "кваканий" опорной частоты в принятом сигнале обнаружить не удалось.
Выбег минимальный и стабилизируется в течение 1...2 мин.
КПЕ желательно оборудовать верньером. Вполне достаточно 1:2...3. Перестройка по панораме вполне адекватная, а на вещалки можно настроиться только одним КПЕ.
Теперь по поводу применённых элементов и возможных замен.
Полевики любые ВЧ-слаботочные. 2N4401 в буфере можно заменить на любой маломощный ВЧ транзистор. Возможно, придётся подобрать смещение,
чтобы напряжение на коллекторе было примерно равно половине питания.
Все 74AC74 можно заменить на 74HC74, за исключением первого триггера, который стоит после гетеродина и работает на частотах 60...120мгц.
Ибо по паспорту 74HC такие частоты уже "не тянет". Также можно попробовать применить и другие серии логических микросхем – главное, чтобы они подходили
по частоте.
Формирователь опорной частоты на 74HC4060 – узел совершенно некритичный и может быть собран на чём угодно. Основная его задача выдать
высокостабильный сигнал с частотой около 1...2 кГц. Скважность – любая.
При запуске первым делом проверяем линейку делителей частоты. Далее частоту замеряем на самом низкочастотном выходе линейки (8-16мгц). Не надо подключать
всякую лишнюю нагрузку к генератору – это приводит к сдвигу генерируемых частот и/или к срыву колебаний.
Первоначально цепь коррекции частоты размыкаем. Подавая на варикап от 0 до +5В, делаем замер изменения частоты на максимальной рабочей частоте.
Если уход больше чем 160 кГц/5 В (не забываем что контроль частоты ведется после линейки делителей!), то корректируем параметры интегрирующей цепи согласно
формулам:
dFvco = измеренный уход * 8/5 (т. к. уход меряем после деления на 8 и при изменении напряжения
на варикапе на 5 В) и
R9 = dFvco * 2.5 / (1220 * 0,0002).
При изменении значения опорной частоты элементы интегрирующей цепочки также необходимо откорректировать.
В устоявшемся режиме напряжение на варикапе должно составлять примерно половину питания, т. е. 2,5 В.
Напомним – при серьёзных намерениях повторить SDR приёмник "Полигон" имеет смысл посетить
форум cqham.ru, однако следует
иметь в виду, что на данный момент автор топика там имеет статус "заблокирован навсегда" и ответить на ваши вопросы не сможет.
|
