Средневолновый радиовещательный синтезатор частоты

Сергей Комаров, UA3ALW,
Радиостанция «Зеленый глаз»

Синтезатор предназначен для работы в качестве задающего генератора передатчика для индивидуального радиовещания, и разработан в порядке реализации Рекомендаций круглого стола «Индивидуальное (любительское) радиовещание в России», прошедшего 18 ноября 2009 года при поддержке Федерального Агентства по печати и массовым коммуникациям.

Часть 1. Параметры, структурная схема и принцип работы.

Часть 2. Элементная база и принципиальная схема.

Часть 3. Конструкция, детали, сборка, регулировка.

Выбор элементной базы для разработки принципиальной схемы. Критериями выбора послужили многие факторы, определяющие не только электрические характеристики, но и специфику эксплуатации синтезатора в самодельных радиовещательных передатчиках, а также специфику его изготовления радиолюбителями в непрофессиональных условиях. Поэтому одним из главных факторов стала аппаратная законченность схемы, то есть: собрал включил, настроил, работает. Соблюдение этого фактора сразу отмело использование каких-либо микросхем, требующих программирования. К тому же наличие большой нестабильности бытовой питающей сети и частых непредсказуемых скачков напряжения, при применении программируемых контроллеров, сильно увеличивает вероятность программных сбоев. Из оставшейся элементной базы в заданном частотном диапазоне могут работать распространенные и относительно недорогие микросхемы серий ТТЛ и ТТЛШ. На них и остановимся. Эти микросхемы выпускаются в двух вариантах: в планарных корпусах, с шагом выводов 1,25 мм и в корпусах типа DIP с шагом выводов 2,5 мм. С точки зрения ручной сборки, конечно удобнее вторые. Однако, наличие в печатной плате большого числа отверстий под их выводы (сложность разводки печати из-за сокращения площади под проводники, что неизбежно ведет к увеличению размеров платы) и сложность отпайки вышедших из строя микросхем при неаккуратной регулировке и эксплуатации, что часто бывает в любительских условиях, сильно снижают кажущееся преимущество DIP корпусов. Либо нужно делать печатную плату больших размеров, либо отказываться от этого исполнения микросхем.

Решающим фактором в данном вопросе, определившим выбор планарных корпусов стал чисто эмоциональный. Я бы даже назвал его патриотическим. Последние годы в околорадиотехнических кругах появилось большое число скупщиков микросхем, уничтожающих их ради извлечения цветных металлов. И глядя на это, душа кровью обливается, как совершенно годные радиодетали из неликвидов или микросхемы, отлежавшие на складах свой гарантийный срок хранения, идут на уничтожение этим скупщикам. Поэтому мной было принято решение разработать схему и конструкцию синтезатора именно на планарных микросхемах (серии 133, 530, 533). Поскольку есть надежда, что этот синтезатор после его публикации будет изготавливаться радиолюбителями массово, то хоть несколько тысяч микросхем спасу от уничтожения этими варварами. Да и печатная плата при конструировании получилась очень компактная и красивая! А паять планарные микросхемы внахлест на плату, не просовывая их выводы в отверстия, как у DIP-ов, даже удобнее. Впрочем, это дело вкуса и привычки.

Если же кто-то не согласен с моими критериями и принятыми решениями, вам никто не запрещает самостоятельно перевести синтезатор на микросхемы серий 155, 531 и 555 и развести новую печатную плату. Право, при существующем программном обеспечении это дело не такое уж и сложное. Если найдутся радиоинженеры или радиолюбители, которые не согласятся со мной в отказе использовать для передатчиков индивидуального радиовещания специализированные микросхемы синтезаторов, управляемые контроллерами или содержащие в своем составе контроллеры, вам тоже никто не запрещает самим разработать надежные синтезаторы с их применением и широко опубликовать их, благо, Интернет в наше время эту задачу сильно упростил, да и многие радиолюбительские журналы с удовольствием публикуют хорошие разработки, рассчитанные на массовое повторение. В любом случае, я буду рад, если инженерная и конструкторская мысль увлеченных людей начнет работать в данном направлении. Только хочу обратить Ваше внимание на то, что синтезаторы для радиовещательных передатчиков, по сравнению с синтезаторами для связных радиостанций, любительских трансиверов и радиоприемников имеют весьма большие отличия, определяемые сферой их применения и спецификой работы именно в радиовещании. В этом же синтезаторе все эти тонкости учтены.

Принципиальная схема синтезатора достаточно большая, поэтому будем разбирать ее работу по узлам в порядке названных выше структурных звеньев.

Генератор, управляемый напряжением (ГУН). Выполнен на транзисторе 2Т306Б по схеме Клаппа: емкостная трехточка с последовательной емкостью (С2) в индуктивной ветви (Рис. 7), обеспечивающей большую стабильность частоты генерации по сравнению с обычной схемой емкостной трехточки за счет частичного включения транзистора в колебательный контур и большего характеристического сопротивления контура благодаря возможности увеличения индуктивности контура. Колебательный контур автогенератора образован конденсаторами С2, С3, С5 и одной из катушек L1 или L2. Для перестройки генерируемой частоты параллельно катушке включены варикапы, которые входят в состав колебательного контура. При смене поддиапазонов переключателями П2-1 и П2-2 параллельно выбранной катушке может подключаться дополнительный конденсатор С1, который, когда подключен, также входит в состав колебательного контура автогенератора. Благодаря тому, что емкость конденсаторов С3 и С4 выбраны достаточно большими, а емкость С2 относительно малой, собственные емкости переходов транзистора, подверженные изменениям от температуры и от питающих напряжений, слабо влияют на частоту генерации.

Варикапы Д1 и Д2 по переменному току включены в контур встречно-последовательно для исключения влияния нелинейности варикапа на положительную и отрицательную полуволну напряжения на контуре. По постоянному току варикапы включены параллельно (анод варикапа Д1 замыкается на общий провод через катушку) и таким образом управляющее напряжение изменяет их емкость одинаково. К средней точке варикапов подключен развязывающий резистор R1, который разделяет по высокой частоте цепь колебательного контура от цепи управляющего напряжения. Поскольку варикапы включены по отношению к управляющему напряжению в обратной полярности, то тока в цепи управления нет (обратный ток варикапа очень маленький) и требования к значению и точности номинала резистора R1 практически не предъявляется. Его можно поставить и 75 и даже 100 килоом. Меньше 30 килоом его номинал уменьшать не стоит из-за шунтирования им колебательного контура автогенератора и ухудшения стабильности частоты. Для лучшей фильтрации к его «холодному» выводу подключен блокировочный конденсатор С7.

Транзистор в схеме автогенератора включен с заземленным по высокой частоте коллектором, что обеспечивает его экранировку, поскольку у ВЧ транзисторов вывод коллектора, как правило, соединен с корпусом. Режим транзистора по постоянному току обеспечивает базовый делитель R2, R3 и эмиттерный резистор R4. Ток эмиттера автогенератора выбран 4,5 мА, и таким образом, на эмиттерном резисторе при отсутствии генерации падение напряжения составляет половину питающего напряжения: + 3,4 вольта. Питается автогенератор и буферный усилитель от общего параметрического стабилизатора напряжения + 6,8 вольта на стабилитроне Д3. Выходной сигнал ГУН берется с наиболее «холодной» точки колебательного контура (эмиттер транзистора Т1) через конденсатор внешнеемкостной связи С6.

Буферный усилитель. Выполнен на двух p-n-p транзисторах 2Т326Б по каскодной схеме ОК-ОБ (Рис. 7). Режим схемы по постоянному току в отсутствии сигнала: напряжение в точке соединения двух эмиттеров: 4,6 В, напряжение на резисторе R7: 1,5 вольта — равное пороговому значению напряжения логического элемента D1-1.

Формирователь импульсов. Выполнен на быстродействующем логическом элементе 530 серии (ТТЛШ). Пороговое напряжение на входе задается резистором R7 (Рис. 7) за счет суммы двух токов: вытекающего тока входа логического элемента (2 мА) и тока коллектора транзистора Т3 (4,9 мА). Преобразование высокочастотного синусоидального сигнала в меандр осуществляется только за счет усиления и ограничения. Важное предостережение: использование в этой схеме пороговых элементов с гистерезисом (триггеры Шмитта) недопустимо из-за внесения в сигнал фазовой нестабильности фронта, что рассыпает спектр выходного сигнала синтезатора.

Делитель частоты с N = 10. Выполнен на микросхеме 133ИЕ2, представляющей собой два счетчика на 2 и на 5 имеющих отдельные входы и выходы (Рис. 8). Микросхема использована в своей типовой схеме включения с той лишь разницей, что сначала сигнал подается на делитель на 5 и лишь затем на делитель на 2. Принцип работы этого каскада был разобран при описании структурной схемы синтезатора.

Распределитель импульсов. По сравнению со схемой, разобранной при описании структуры синтезатора, эта схема имеет отличие в том, что в микросхеме 133ИЕ2 отсутствует инверсный выход делителя на 2 (Рис. 8). Поэтому применен дополнительный инвертор на элементе микросхемы 533ЛА4.

Выходные транзисторные ключи. Выполнены на ключевых транзисторах 2Т608Б (Рис. 8) и при активной нагрузке могут коммутировать ток до 400 мА при напряжении до 60 вольт. Для обеспечения такого режима ключи имеют во входной цепи дополнительные мощные элементы микросхемы 530ЛА4, обеспечивающие импульсный ток базы каждого транзистора 10-15 мА. Значение тока задается базовыми резисторами 120-220 Ом. Конденсаторы, номиналом от 820 до 1200 пикофарад ускоряют переключение транзисторов.

Опорный кварцевый генератор. Выполнен по схеме несимметричного мультивибратора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи на двух инверторах микросхемы 533ЛА4. Резисторы 1,5 килоома и 470 Ом обеспечивают линейный режим работы инверторов и, тем самым, мягкий режим самовозбуждения автогенератора (Рис. 9). Кварцевый резонатор возбуждается на частоте последовательного резонанса. Точный номинал частоты необходимо установить по калиброванному частотомеру подбором конденсатора, включенного последовательно с кварцевым резонатором. Во втором плече мультивибратора интегрирующая RC цепочка имеет частоту среза 2Fкв для того, чтобы исключить возбуждение резонатора на нечетных гармониках. В зависимости от частоты используемого резонатора линейно изменяется номинал емкости цепочки. В случае применения резонатора непосредственно на 45 кГц, интегрирующая емкость должна быть 3000 пФ и сигнал генератора с точки схемы Fоп необходимо подать на контакт 2 переключателя П3 исключив из него перемычки. Также подключается к синтезатору внешний опорный генератор на частоту 45 кГц.

Делитель с фиксированным коэффициентом деления. Выполнен на D триггерах микросхемы 533ТМ2, включенных в счетный режим замыканием инверсного выхода на вход D (Рис. 9). На незадействованные входа R и S подан потенциал логической единицы через резистор 1,5 килоома.

С таким ДФКД в схеме можно использовать кварцевые резонаторы на частоты 45 кГц, 90 кГц и 180 кГц. Для возможности применения резонаторов на другие частоты, на плате синтезатора предусмотрено место под установку микросхемы 133ИЕ2 (делитель на 5 и 2). При ее подключении можно будет использовать кварцы на частоты: 360, 225, 450, 900, 1800 кГц. В схеме также можно использовать кварцевые резонаторы на другие номиналы частот: 720, 1440, 2250, 2880, 3600, 4500, 5760, 7200, 9000 кГц, но это потребует применение дополнительного делителя частоты. Начиная с частоты резонаторов 4500 кГц интегрирующий конденсатор в схеме ОКГ можно не устанавливать.

Делитель с переменным коэффициентом деления, ДПКД 161-200. Выполнен на двух синхронных реверсивных счетчиках 533ИЕ6 и двух D-триггерах микросхемы 533ТМ2 (Рис. 10).

Шифраторы выполнены на четырех микросхемах 533ЛА1, двух диодах 2Д522Б и тринадцати резисторах, задающих потенциал логической единицы.

Частотно фазовый детектор. Выполнен на микросхемах 533ТМ2 и 533ЛА4. На выходе триггеров установлены отсекающие диоды Д1 и Д2 (Рис. 11), чтобы использовать для дальнейшего аналогового преобразования лишь нулевой потенциал выходного напряжения логических микросхем. Потенциал логической единицы использовать нельзя, во избежание увеличения фазовых шумов и фазовой нестабильности выходного сигнала синтезатора, поскольку цепь питания +5 вольт, к которой привязан потенциал логической единицы, в схемах на ТТЛ микросхемах имеет провалы напряжения при переключении логических элементов. Для задания «чистого» высокого потенциала в последующей аналоговой схеме использован источник +12 вольт и делитель напряжения на резисторах R9 и R2 с блокировочным конденсатором С3 для лучшей фильтрации помех по питанию, и развязывающими резисторами R5 и R6, раздающими этот потенциал в оба плеча схемы.

Фильтр нижних частот. Представляет собой две интегрирующих RC цепочки с емкостями С1 и С2 (Рис. 11), а в качестве сопротивления работает параллельное включение резисторов R3 и R6 в одном плече и R4, R5 — во втором.

Интегратор. Выполнен на базе операционного усилителя 140УД6 по схеме пропорционально интегрирующего фильтра. Симметрия обоих плеч достигается наличием на неинвертирующем входе усилителя второй пропорционально интегрирующей цепочки R11, C6 (Рис. 11). Убыстрение реакции интегратора обеспечивается «пропорциональными» резисторами R10 и R11, а накопление потенциала осуществляется на интегрирующей емкости С5. Постоянная времени интегратора определяется резисторами R7 и R8 и емкостью конденсаторов С5 и С6. С4 — блокировочный конденсатор по питанию операционного усилителя А1.

Стабилизаторы напряжения. Синтезатор питается от однополярного источника напряжения от плюс 15 до плюс 20 вольт, потребляя ток 150 миллиампер. Непосредственно его схема требует для своей работы два стабилизированных напряжения +5 и +12 вольт. Обеспечивают эти напряжения два трехвыводных интегральных стабилизатора 142ЕН5А и 142ЕН8Б (Рис. 12).

При желании питать синтезатор от мостового выпрямителя со средней точкой во вторичной обмотке (напряжения плюс 9 и плюс 18 вольт), предусмотрен разрыв цепи питания, замыкаемый перемычкой, позволяющий подключать отдельно каждый из стабилизаторов к своему источнику. При этом необходимо установить к стабилизатору 142ЕН5А защитный диод 2Д212Б, предохраняющий его от переполюсовки при выключении питания, точно также, как и у 142ЕН8Б.

Полная принципиальная схема синтезатора:

Спецификация к принципиальной схеме синтезатора

Резисторы МЛТ-0,125 (С2-23), допуск 5%.

Конденсаторы КМ-5, КМ-6.

Конденсаторы: К53-1 или К53-18: 30В × 22-47 μF — 1 шт., 16В × 15-47 μF — 1 шт.

Диоды: КД522Б — 4 шт., КВ104А — 2 шт., КС468А (КС168А) — 1 шт., КД212БМ — 2 шт.

Транзисторы: КТ306Б (КТ316Б) — 1 шт., КТ326Б — 2 шт., КТ608Б (КТ635А) — 2 шт.

Микросхемы

Кварцевый резонатор: 90 000 Гц, или 180 000 Гц, вакуумный в стеклянном баллоне, желательно, размером ∅10 × 35-50 мм, с гибкими выводами. Динамическое (последовательное при резонансе) сопротивление кварцевого резонатора не более 400 Ω. Точность установки частоты не хуже 2 Гц.
*При установке кварцевого резонатора 180 кГц конденсатор 1500 пФ заменить на 750 пФ.

Каркасы катушек: ИШГД 6.687.017 — 2 шт. Сердечники: М5ВН20 — ИШГД 6.660.227 — 2 шт.

Провод намоточный: ПЭЛШО — 0,25 — 1 м 20 см.

Провод монтажный: МГТФ-0,07 — 1 м 60 см.

Провод медный голый: луженый или посеребренный, диаметром 0,6-0,8 мм — 30 см.

Трубка фторопластовая: внутренним диаметром 1 мм — 15 см.

Лакоткань: толщина 0,15 мм, размер 5×20 см.

Термопаста: ВВ-1000 или КПТ-8 — четыре капли.

Замена микросхем в синтезаторе С9-1449-1800:
140УД6 — 140УД601, или MC1456, или MC1556
142ЕН5А — КРЕН5А или 7805
142ЕН8Б — КРЕН8Б или 7812
133ИЕ2 — SN5490
530ЛА4 — SN54S10
533ЛА1 — SN54LS20
533ЛА4 — SN54LS10
533ТМ2 — SN54LS74
533ИЕ6 — SN54LS192

Далее, Часть 3