Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие.

Глава 10. Синтезатор частоты на 1...30 МГц для широкополосного тракта с ПЧ =45 МГц

Обсуждаемый ниже гетеродинный блок является составной частью SSB-системы для военных самолетов, широкополосный приемный тракт которой был описан в предыдущей главе. Он вырабатывает сигнал с непрерывно изменяющейся в диапазоне 46...75 МГц частотой f_u для ВЧ/ПЧ-смесителя и вспомогательную несущую с частотой f₁ = 45 МГц для смесительного детектора; уровни этих сигналов равны + 20 дБм (2,24 В/50 Ом) и - 7 дБм (0,1 В/50 Ом) соответственно.

Нестабильность частоты (с учетом всех определяющих этот параметр факторов) не превышает 100 Гц/сутки в самом неблагоприятном случае f_c = 30 МГц в температурном интервале — 55...+ 85°С (максимальная температура 105°С). Это значение, соответствующее относительному уходу частоты, не превышающему 3,3 • 10-⁶ в сутки, вполне достаточно для предусмотренного телефонного вида связи. Спектральная плотность фазовых шумов гетеродина А_j при расстройке 20 кГц составляет — 139 дБ/Гц и также оказывается на “должном” уровне (см. разд. 5.2). Для f_t - сигнала учет величины a_j не имеет смысла.

На рис 10.1 приведена в сильной степени упрощенная структурная схема этого однопетлевого синтезатора частоты. 

Основные частотозадающие модули синтезатора-опорный кварцевый генератор на частоту 45 МГц (ОКГ, внизу справа) и ГУН, непрерывным образом перестраиваемый в диапазоне 10...11 МГц (генератор плавного диапазона-ГПД, в центре справа); оба генератора установлены (с принятием соответствующих мер по их защите от вибраций) в общем термостатированном кожухе с внутренней температурой + 85°С, который также обеспечивает их электрическое и магнитное экранирование.

Принцип работы синтезатора поясним на примере f_с - 1,5 МГц (частота несущей) и f_u = 46,5 МГц, тогда в полном соответствии с выбранным значением ПЧ f_u — f_c = = 46,5 - 1,5 = 45 МГц.

1. ГПД, “покрывающий” частотным диапазоном своей перестройки каждый из 29 поддиапазонов изменения f_c шириной 1 МГц, настраивается на частоту 10,5 МГц, соответствующую середине полосы 1...2 МГц для f_c.

2. Процессорный смеситель ПС1 преобразует частоты ОКГ (45 МГц) и ГПД (10,5 МГц) к частоте 45 — 10,5 = 34,5 МГц. Аддитивная составляющая процесса преобразования 45 + 10,5 = 55,5 МГц отфильтровывается с помощью расположенного за смесителем полосового фильтра на 34...35 МГц.

3. Сигнал с частотой 34,5 МГц поступает на процессорный смеситель ПС2, где он вместе с поступающим сюда же сигналом f_u = 46,5 МГц преобразуется к частоте 46,5 — 34,5 = 12 МГц. Каскадированный полосовой фильтр на 11...41 МГц пропускает именно эту, а не аддитивную составляющую 46,5 + 34,5 = 81 МГц.

4. Делитель (частоты) с переменным коэффициентом деления N (ДПКД), программируемый на каждый f_c поддиапазон: 1...2 МГц, 2...3 МГц и т. д. с шагом 10 для N (N = 120, 130 и т. д.), работает в данном случае с N = 120 (самый нижний поддиапазон); частота 12 МГц на входе ДПКД преобразуется к частоте 0,1 МГц на его выходе. Эта частота называется регулируемой величиной f_r.

5. Параллельно с этим процессом делитель частоты с постоянным коэффициентом деления М = 450 преобразует частоту сигнала ОКГ (45 МГц) к частоте 0,1 МГц. Последняя называется задающей величиной f_f (опорной частотой).

6. Величины f_r и f_f сравниваются друг с другом в фазовом детекторе (ФД). При совпадении частот и фаз поступающих на ФД сигналов он вырабатывает на выходе своего петлевого фильтра совершенно определенное, соответствующее требуемому значению f_u = 46,5 МГц постоянное управляющее напряжение, приложенное к подстроечным варикапам в гетеродине. Если значение f_u отличается от 46,5 МГц, т. е. сигнал в цепи f_е-настройки генерируется несинхронно работающим (“убежавшим” по частоте) гетеродином, то на выходе петлевого фильтра появляется изменяющееся напряжение ошибки U_s, зависящее от рассогласования f_r и f_f; это напряжение смещает частоту гетеродина в нужную сторону и обеспечиваeт ее установку на требуемое значение f_u = 46,5 МГц. При выбранном здесь значении опорной частоты f_f весь этот процесс происходит за время < 1 мс. Напряжение U_s называется регулирующей величиной. Время установления для подобных систем регулирования находится в обратно пропорциональной зависимости от f_f, т.е. увеличивается при уменьшении опорной частоты.

7. Вспомогательная несущая с f_t, = 45 МГц для смесительного детектора берется непосредственно от ОКГ.

В книге данного объема невозможно дать полное функциональное и схемотехническое описание этого сложного синтезатора. Поэтому мы, к сожалению, вынуждены ограничиться описанием его отдельных узлов и блоков: сюда относятся рассматриваемые в разд. 10.1 (в совершенно определенном аспекте) критичные по ВЧ и линейности звенья; они представляют и самостоятельный интерес, в то время как “все остальное”-это схемы обработки цифровых сигналов и уже известные нам из гл. 3 ВЧ-селекторы, широкополосные усилители и двойные балансные смесители.

10.1. Гетеродин и схемы обработки его сигнала

Прежде всего рассмотрим ГУН-гетеродин с частотным диапазоном 46...75 МГц, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 10.2.

Грубая настройка частоты гетеродина на один из шести подциапазонов осуществляется с помощью ДПКД. Частотозадающими элементами для каждого поддиапазона являются конденсаторы постоянной емкости и подстроечные конденсаторы, подключаемые через коммутирующие диоды D1...6. Последние в свою очередь управляются выходными сигналами шести инвертирующих ТТЛ-формирователей с открытым коллектором (IC1); каждый из формирователей при высоком уровне напряжения на своем входе (5 В) и соответственно низком уровне (О В) на выходе обеспечивает протекание через соответствующий диод прямого тока величиной около 12 мА. В каждый момент времени открыт лишь один из диодов, а к пяти остальным приложено запирающее напряжение 15 — 5 = 10 В.

Точная подстройка частоты гетеродина осуществляется с помощью варикапа D7, который управляется регулирующим напряжением U_oc (U_s), поступающим с выхода петлевого фильтра. Элементы СТ и L = 0,1 мкГ (индуктивность контура), включенные параллельно D7, определяют полный частотный диапазон 46...75 МГц гетеродина. Контурная катушка выполнена в виде медной ленты, “выжженной” на керамическом трубчатом каркасе диаметром около 13 мм и длиной 30 мм; ее подстройка осуществляется вне гетеродина с помощью специального лазерного устройства.

Генераторный транзистор охвачен ООС через 56-омный резистор в его эмиттерной цепи и поэтому работает в высоко линейном режиме. В то же время регулирующее напряжение U_AGC, вырабатывемое АРУ-генератором (рис. 10.3), обеспечивает стабилизацию амплитуды колебаний ВЧ-сигнала в точке А с отклонениями не более + 0,5 дБ во всем частотном диапазоне; при Af/f » 1,63 (АС/С » 2,66) пригоден только такой способ стабилизации.

Весь этот задающий ВЧ-генераторный блок был собран из исключительно высококачественных деталей. Монтаж выполнен проводами в специально отлитой камере с керамическими изолирующими опорами. Только так можно изготовить действительно высококачественный генератор; возможность использования печатного монтажа в конструкциях с рабочими частотами > 10 МГц кажется весьма иллюзорной.

Принципиальная электрическая схема тракта обработки сигнала гетеродина (вместе с АРУ-генератором) представлена на рис. 10.2.

Сигнал гетеродина в точке А поступает сначала на вход буферного усилителя на полевом транзисторе, обеспечивающего хорошую развязку следующих каскадов с генератором. За усилителем установлен эллиптический ФНЧ седьмого порядка, уменьшающий и без того очень низкий коэффициент нелинейных искажений сигнала гетеродина (определяемый содержанием высших гармоник) до неизмеримо малой величины. Далее следует еще один буферный каскад, выполненный по схеме эмиттерного повторителя с очень низким выходным сопротивлением. На выходе тракта работает высоколинейный (и обладающий хорошими развязывающими свойствами) двухтактный усилитель мощности на комплементарных транзисторах с Р_u = +20 дБм и неизменным в широком диапазоне частот 50-омным выходным сопротивлением. Представленная схемотехническая реализация гетеродинного тракта типична для гетеродинов, работающих на высокоуровневые диодные кольцевые смесители (с высоким IP).

В нижней части рисунка показаны еще два буферных эмиттерных повторителя; с выхода первого повторителя сигнал гетеродина подается на процессорный смеситель ПС2 и на индикацию частоты (в счетчик), с выхода второго - на АРУ-генератор. Регулирующее напряжение U_AGC последнего в точке С можно изменять с помощью 10-килоомного переменного резистора и тем самым устанавливать правильное значение Р_u. В общем случае нужно исходить из того, что подобные объекты многовариантно индивидуальны и в подавляющем большинстве случаев для измерительных и отладочных работ требуют привлечения только высококвалифицированных специалистов. Необходим тщательный отбор и предварительный контроль всех применяемых конструктивных элементов.

10.2. Генератор плавного диапазона (ГПД)

Это “очень странный” генератор. Он работает в обычном автоколебательном режиме, а значит - в противоположность известным способам синтеза частот, - не связан, как это обычно делается, с предохраняющим от “все и вся” опорным кварцевым генератором. С другой стороны, применяется термостат, без которого в подобных случаях не обойтись.

Принципиальная электрическая схема этого генератора на 10... 11 МГц, обеспечивающего плавную настройку приемника в каждом из 29 поддиапазонов приема (шириной 1 МГц), представлена на рис. 10.4.

Собственно генератор показан слева на рисунке; его структура принципиально не отличается от структуры генератора, рассмотренного в предыдущем разделе. Это ГУН, для настройки которого используется специальный 10-оборотный тонкопленочный потенциометр; ручка настройки с помощью установленной в ее центре кнопки может переключаться на коэффициенты передачи 1:1 или 1:10 (по отношению к оси потенциометра); для фиксации выбранного положения ручки настройки применяется клавишная блокирующая механика. Потенциометр осуществляет дистанционное управление генератором и связан с ним электрически и магнитно экранируемым кабелем. Для подобных генераторов нужны исключительно стабильные управляющие напряжения; здесь не обойтись без источников с довольно малыми внутренними сопротивлениями и использования высокоэффективных широкополосных фильтрующих устройств.

Справа на рисунке показан буферный усилитель мощности на микросхеме IC1. Его выходное сопротивление - 50 Ом - практически постоянно в спектральном диапазоне 1...50 МГц. Хорошая развязка между входом и выходом ИС (> 60 дБ) исключает влияние величины нагрузки в точке вывода f_upl на частоту (она одна и та же как на холостом ходу, так и в режиме короткого замыкания).

Этот задающий генератор иллюстрирует те качественные возможности, которые открываются даже при относительно небольших материальных затратах, если подходить к разработке и изготовлению конкретного устройства по всем правилам конструкторского искусства: LC-ГУН, буферная ИС, термостат - и результирующий максимальный дрейф 100 Гц на частоте 30 МГц после менее чем 5-минутного прогрева термостата (время установления, связанное с тепловыми колебаниями). Можно сделать вывод, что полная точность установки и поддержания частоты в данной системе в основном определяются рассмотренным ГПД; стабильность частоты ОКГ на два порядка выше. С другой стороны, для более узкополосных по сравнению с SSB-телефонией и поэтому более чувствительных к дрейфу частоты видов связи, как, например, телеграф и телетайп, подобные схемы вряд ли пригодны. Если требуется сохранить преимущества полностью непрерывной настройки, нужный результат здесь даст двойная температурная стабилизация (внутренняя во внешнем термостате); иначе следует предпочесть использование еще одной петли регулирования под контролем ОКГ.