Кварцовий фільтр - це, як відомо, "половина хорошого трансивера". В пропонованій статті наведено практична конструкція двенадцатикристального кварцового фільтра основний селекції для високоякісного трансивера та приставки до комп'ютера, що дозволяють налаштувати і будь-які інші вузькосмугові фільтри.
В аматорських конструкціях останнім часом в якості фільтра основний селекції використовують кварцові восьмикристальные фільтри сходового типу, виконані на однакових резонаторах. Ці фільтри відносно прості у виготовленні та не потребують великих матеріальних витрат. Для їх розрахунку і моделювання написані комп'ютерні програми. Характеристики фільтрів цілком задовольняють вимогам якісного прийому і передачі сигналу. Однак при всіх перевагах у цих фільтрів є й істотний недолік - деяка асиметрія АЧХ (пологий низькочастотний скат) і, відповідно, невисокий коефіцієнт прямокутності.
Завантаженість радиолюбительского ефіру визначає досить жорсткі вимоги до вибірковості сучасного трансивера по сусідньому каналу, тому фільтр основний селекції повинен забезпечувати загасання поза смуги пропускання не гірше 100 дБ при коефіцієнті прямокутності 1,5-1,8 (за рівнями -6/-90 дБ). Природно, що втрати і нерівномірність АЧХ у смузі пропускання фільтра повинні бути мінімальні.
Керуючись рекомендаціями, викладеними в [1], за основу був обраний десятикристальный сходовий фільтр з чебышевской характеристикою при нерівномірності АЧХ 0,28 дБ. Щоб збільшити крутизну скатів і паралельно входу виходу фільтра були введені додаткові ланцюги, що складаються з послідовно включених кварцових резонаторів і конденсаторів. Розрахунки параметрів резонаторів і фільтра проводилися за методикою, описаною в [2]. Для смуги пропускання фільтра 2,65 кГц були отримані вихідні значення С1,2 = 82,2 пФ, Lкв= 0,0185 Гн, RH = 224 Ом. Схема фільтра і розрахункові значення номіналів конденсаторів показано на рис. 1.
У конструкції використані кварцові резонатори для телевізійних PAL-декодерів на частоту 8,867 МГц, що випускаються ВНИИСИМС (р Александров Володимирській області). Свою роль у виборі зіграли стабільна повторюваність параметрів кристалів, їх малі габарити і невисока вартість. Підбір частоти кварцових резонаторів для ZQ2 - ZQ11 проводився з точністю ±50 Гц. Вимірювання проводилися за допомогою саморобного автогенератора і промислового частотомера. Резонатори ZQ1 і ZQ12 для паралельних ланцюгів підібрані з інших партій кристалів з частотами відповідно нижче і вище основної частоти фільтра приблизно на 1 кГц.
Фільтр зібраний на друкованій платі з двосторонньо фольгованого склотекстоліти товщиною 1 мм (рис. 2).
Верхній шар металізації використаний в якості загального проводи. Отвори з боку установки резонаторів раззенкованы. Корпуси всіх кварцових резонаторів з'єднані із загальним проводом пайкою. Перед установкою деталей друкована плата фільтру запаюється в коробочку з лудженої жерсті з двома знімними кришками. Також з боку друкованих провідників припаюється екран-перегородка, що проходить між висновками резонаторів по центральній осьовій лінії плати. На рис. 3 наведена монтажна схема фільтра. Всі конденсатори в фільтрі - КД і КМ.
Після того як фільтр був виготовлений, виникло питання: яким чином в домашніх умовах виміряти його АЧХ з максимальним дозволом? Був задіяний домашній комп'ютер з наступною перевіркою результатів вимірювань побудовою АЧХ фільтра за точкам з застосуванням селективного микровольтметра.
Для того щоб переглянути АЧХ фільтра на рівні -100 дБ, генератор повинен мати рівень бічних шумів нижче зазначеної величини, а детектор - гарну лінійність при максимальному динамічному діапазоні не гірше 90... 100 дБ. З цієї причини генератор шуму був замінений традиційним генератором хитної частоти (рис. 4).
(натисніть для збільшення)
За основу взята схема кварцового генератора [4], у якого відносна спектральна щільність потужності шумів дорівнює - 165 дБ/Гц. Це означає, що потужність шумів генератора при розладі 10 кГц в смузі 3 кГц менше потужності основного коливання генератора на 135 дБ!
Схема першоджерела трохи видозмінена. Так замість біполярних транзисторів застосовані польові, а послідовно з кварцовим резонатором ZQ1 включений контур, складається з котушки індуктивності L1 і варикапів VD2 - VD5. Частота генератора перебудовується щодо частоти кварцу в межах 5 кГц, що цілком достатньо для вимірювання АЧХ вузькосмугового фільтра. Кварцовий резонатор в генераторі аналогічний фильтровому В режимі генератора хитної частоти керуюча напруга на варикапы VD2 - VD5 подається з генератора пилкоподібної напруги, виконаного на одне-перехідному транзисторі VT2 з генератором струму на VT1. Для ручної перебудови частоти генератора застосований багатооборотний резистор R11. Мікросхема DA1 працює як підсилювач напруги.
Від спочатку задуманого синусоїдального керуючого напруги довелося відмовитися через нерівномірної швидкості проходу ГКЧ різних ділянок АЧХ фільтра, а для досягнення максимальної роздільної здатності), частота генератора знижена до 0,3 Гц.
Перемикачем SA1 вибирається частота генератора "пили" - 10 або 0,3 Гц. Девіація частоти ГКЧ встановлюється підлаштування резистором R10.
Принципова схема блоку детектора показана на рис. 5. Сигнал з виходу кварцового фільтра подається на вхід Х2, якщо контур L1C1C2 використовується в як навантаження фільтра. Якщо вимірювання проводяться на фільтрах, навантажених на активний опір, цей контур не потрібен. Тоді сигнал з резистора навантаження подається на вхід Х1, а на друкованій платі детектора видаляється провідник, з'єднує вхід Х1 з контуром.
(натисніть для збільшення)
Истоковый повторювач з динамічним діапазоном більше 90 дБ на потужному польовому транзисторі VT1 узгоджує опір навантаження і вхідного фільтра опору змішувача. Детектор виконаний по схемі пасивного балансового змішувача на польових транзисторах VT2, VT3 і має динамічний діапазон більше 93 дБ. На об'єднані затвори транзисторів через П-контури C17L2C20 і C19L3C21 надходять протифазні синусоїдальні напруги рівнем 3...4 (кеф.) від опорного генератора. В опорному генераторі детектора, виконаний на мікросхемі DD1, встановлений кварцовий резонатор з частотою 8,862 МГц.
Утворився на виході змішувача низькочастотний сигнал посилюється приблизно в 20 разів підсилювач на мікросхемі DA1. Так як звукові карти персональних комп'ютерів мають порівняно низькоомний вхід, в детекторі встановлений потужний ОУ К157УД1. АЧХ підсилювача скорегована так, щоб нижче частоти 1 кГц і вище частоти 20 кГц спостерігався спад посилення приблизно - 6 дБ на октаву.
Генератор хитної частоти змонтований на друкованій платі з двосторонньо фольгірованого склотекстоліту (рис. 6). Верхній шар плати служить загальним дротом, отвори під виводи деталей, не мають з ним контакту, раззенкованы. Плата запаяна в коробку висотою 40 мм з двома знімними кришками. Коробка виготовлена з лудженої жерсті.
Котушки індуктивності L1, L2, L3 намотані на стандартних каркасах діаметром 6,5 мм з подстроечниками з карбонільного заліза і поміщені в екрани. L1 містить 40 витків дроту ПЕВ-2 0,21, L3 і L2 - відповідно 27 і 2+4 витка проводу ПЕЛШО-0,31. Котушка L2 намотана поверх L3 ближче до "холодного" кінця. Всі дроселі стандартні - ДМ 0,1 68 мкГн. Постійні резистори МЛТ, підлаштовані R6, R8 та R10 типу СПЗ-38. Багатооборотний резистор - ППМЛ. Постійні конденсатори - КМ, КОР, КТ, оксидні - К50-35, К53-1.
Налагодження ГКЧ починають з встановлення максимального сигналу на виході генератора пилкоподібної напруги. Контролюючи осцилографом сигнал на виведення 6 мікросхеми DA1, підстроєчними резисторами R8 (посилення) і R6 (зміщення) встановлюють амплітуду та форму сигналу, наведену на епюрі в точці А.
Підбором резистора R12 досягають стійкої генерації без входження в режим обмеження сигналу. Підбираючи ємність конденсатора С14 і підлаштовуючи контур L2L3, налаштовують вихідну коливальну систему в резонанс, що гарантує хорошу навантажувальну здатність генератора. Подстроечником котушки L1 встановлюють межі перебудови генератора в межах 8,8586-8,8686 МГц, що з запасом перекриває смугу АЧХ випробуваного кварцового фільтра. Для забезпечення максимальної перебудови ГКЧ (не менше 10 кГц) навколо точки з'єднання L1, VD4, VD5 верхній шар фольги видалено. Без навантаження синусоїдальна вихідна напруга генератора дорівнює 1 (кеф).
Блок детектора виконаний на друкованій платі з двустороне фольгованого склотекстоліту (рис. 7). Верхній шар фольги використовується в якості загального проводи. Отвори під виводи деталей, які не мають контакт із загальним проводом, баньки. Плата запаюється в бляшану коробку висотою 35 мм зі знімними кришками. Від якості виготовлення приставки залежить її роздільна здатність.
Котушки L1-L4 містять по 32 витка проводу ПЕВ-0,21, намотаних виток до витка на каркасах діаметром 6 мм. Подстроечніком в котушках від броньових сердечників СБ-12а. Всі дроселі типу ДМ-0,1. Індуктивність L5 - 16 мкГн, L6, L8 - 68 мкГн, L7 - 40 мкГн. Трансформатор Т1 намотаний на кільцевому феритовому магнітопроводі 1000НН типорозміру К10х6х3 мм і містить в первинній обмотці 7 витків, у вторинної - 2x13 витків дроту ПЕВ-0,31.
Всі підстроювальні резистори - СПЗ-38.
Під час попередньої настройки блоку високочастотним осцилографом контролюють синусоїдальний сигнал на затворах транзисторів VT2, VT3 і, при необхідності, підлаштовують котушки L2, L3. Подстроечником котушки L4 частота опорного генератора виводиться нижче смуги пропускання фільтра на 5 кГц. Це робиться для того, щоб на робочому ділянці аналізатора спектра менше спостерігалося різних перешкод, зменшують роздільну здатність пристрою.
Генератор хитної частоти підключають до кварцевому фільтру через узгоджувальний коливальний контур з ємнісним дільником (рис. 8).
В процесі настройки це дозволить отримати малі загасання і нерівномірність в смузі пропускання фільтра. Другий узгоджувальний коливальний контур, як вже згадувалося, знаходиться у детекторної приставці. Зібравши схему вимірювання і підключивши вихід приставки (рознімання Х3) на мікрофонний або лінійний вхід звукової карти персонального комп'ютера, запускаємо програму спектроаналізатора. Існує кілька таких програм. Автором була використана програма SpectraLab v.4.32.16, розміщена за адресою: http://cityradio.narod.ru/utilJties.html. Програма зручна у користуванні і володіє великими можливостями.
Отже, запускаємо програму "SpektroLab" і, підлаштовуючи частоти ГКЧ (в режимі ручного управління) та опорного генератора в детекторної приставці, виставляємо пік спектрограми ГКЧ на відмітку 5 кГц. Далі, балансуючи змішувач детекторної приставки, пік другої гармоніки зменшують до рівня шумів. Після цього включається режим ГКЧ і на моніторі з'являється довгоочікувана АЧХ випробуваного фільтра. Спочатку включається частота гойдання 10 Гц і, підлаштовуючи з допомогою R11 центральну частоту, а потім і смугу гойдання R10 (рис. 4), встановлюємо прийнятну "картинку" АЧХ фільтра в реальному часі. Під час вимірювань, підлаштовуючи погоджують контури, досягають мінімальної нерівномірності в смузі пропускання. Далі для досягнення максимальної роздільної здатності пристрої включаємо частоту гойдання 0,3 Гц і встановлюємо у програмі максимально можлива кількість точок перетворення Фур'є (FFT, у автора 4096..8192) і мінімальне значення параметра усереднення (Averaging, у автора 1). Так як характеристика малюється за кілька проходів ГКЧ, то включається режим запам'ятовуючого пікового вольтметра (Hold). В результаті на екрані отримуємо АЧХ досліджуваного фільтра. За допомогою курсору миші отримуємо необхідні цифрові значення отриманої АЧХ на потрібних рівнях. При цьому треба не забути виміряти частоту опорного генератора в детекторної приставці, щоб потім отримати істинні значення частот точок АЧХ.
Оцінивши первісну "картинку", підлаштовують частоти послідовного резонансу ZQ1n ZQ12 відповідно на нижній і верхній скати АЧХ фільтра, домагаючись максимальної пря-моугольности на рівні -90 дБ. На закінчення з допомогою принтера отримуємо повноцінний "документ" на виготовлений фільтр. В якості приклад на рис. 9 наведена спектрограма АЧХ фільтра. Там же наведена спектрограма сигналу ГКЧ. Видима нерівномірність лівого схилу АЧХ на рівні -3...-5 дБ усувається перестановкою кварцових резонаторів ZQ2-ZQ11.
В результаті отримуємо наступні характеристики фільтра: смуга пропускання за рівнем -6 дБ - 2,586 кГц, нерівномірність АЧХ в смузі пропускання - менше 2 дБ, коефіцієнт прямокутності за рівнями -6/-60 дБ - 1,41; за рівнями -6/-80 дБ - 1,59 і за рівнями -6/-90 дБ - 1,67; загасання в смузі - менше 3 дБ, а за смугою - більше 90 дБ.
Автор вирішив перевірити отримані результати і виміряв АЧХ кварцового фільтра за точкам. Для вимірювань знадобився селективні мікровольтметри з гарним атенюатором, яким став мікровольтметри типу HMV-4 (Польща) з номінальною чутливістю 0,5 мкВ (в той же час добре фіксує сигнали з рівнем 0.05 мкВ) і аттенюатором в 100 дБ.
Для цього варіанту вимірювань була зібрана схема, наведена на рис. 10. Погоджують контури по входу і виходу фільтра ретельно екрановані. Сполучні екрановані дроти застосовані хорошої якості. Також ретельно виконані "земляні" ланцюга.
Плавно змінюючи частоту ГКЧ резистором R11 і перемикаючи по 10 дБ атенюатор, знімаємо показання микровольтметра, проходячи по всій АЧХ фільтра. Використовуючи дані вимірювань і той же масштаб, будуємо графік АЧХ (рис. 11).
Завдяки високій чутливості микровольтметра і малим боковим шумів ГКЧ добре фіксуються сигнали на рівні -120 дБ, що чітко відображено на графіку.
Результати вимірювань вийшли наступні: смуга пропускання за рівнем -6 дБ - 2,64 кГц; нерівномірність АЧХ - менше 2 дБ; коефіцієнт прямокутності за рівнями -6/-60 дБ дорівнює 1,386; за рівнями -6/-80 дБ - 1,56; за рівнями -6/-90 дБ - 1,682; за рівнями -6/-100 дБ - 1,864; загасання в смузі - менше 3 дБ, за смугою - більше 100 дБ.
Деякі відмінності результатів вимірювань від комп'ютерного варіанту пояснюються наявністю накопичуються помилок цифроаналогового перетворення при зміні аналізованого сигналу у великому динамічному діапазоні.
Необхідно зазначити, що наведені графіки АЧХ кварцового фільтра отримані при мінімальному обсязі настроювальних робіт і при більш ретельному підборі компонентів, характеристики фільтра можуть бути помітно покращені.
Запропонована схема генератора може бути з успіхом використана для вимірювань односигнальной вибірковості, а також для вимірювання динамічного діапазону трансіверов до 110...120 дБ.
Цей пристрій з успіхом можна використовувати для оцінки якісних показників тракту ПЧ трансіверов, роботи АРУ та детекторів. Подавши сигнал генератор хитної частоти на детектор, на виході приставки до ПК отримуємо сигнал низькочастотного генератора хитної частоти, за допомогою якого можна легко і швидко налаштувати будь-фільтр і каскад НЧ тракту трансивера.
Не менш цікаво використовувати пропоновану детекторну приставку в складі панорамного індикатора трансивера. Для цього слід підключити до виходу першого змішувача кварцовий фільтр зі смугою пропускання 8...10 кГц. Далі отриманий сигнал посилити і подати на вхід детектора. В цьому випадку можна спостерігати сигнали своїх кореспондентів з рівнями від 5 до 9 балів з хорошою роздільною здатністю.
Література
Автор: Р. Брагін (RZ4HK)