Схема. Делитель частоты диапазона 0,1.-.3,5 ГГц

Одно из направлений развития радиолюбительской техники связи — освоение все более высокочастотных диапазонов. Препятствием на этом пути оказывается отсутствие или ограниченная номенклатура измерительной аппаратуры. Предлагаемый вниманию читателей делитель частоты может работать совместно с частотомером, имеющим диапазон рабочих частот до нескольких мегагерц или даже килогерц, обеспечивая измерение частоты сигналов в диапазоне 0,1…3,5 ГГц.

Схема делителя частоты показана на рис. 1. Его основой стала специализированная микросхема синтезатора частоты ADF4113 (DD1), работающего в полосе до 3,7…4 ГГц. В ее состав входят несколько функциональных узлов, но в этой приставке использована только часть из них: входной усилитель СВЧ, программируемые предварительный делитель (ПД), делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), мультиплексор и устройство управления. Благодаря наличию входного усилителя СВЧ чувствительность микросхемы составляет -15 дБмВт (около 40 мВ на нагрузке 50 Ом). Используя ПД и ДПКД, можно получить коэффициент деления от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч.

Следует отметить, что при создании делителей частоты удобно использовать коэффициенты деления, кратные 10, что облегчит считывание показаний частотомера. Особенно удобны коэффициенты, равные 1000 и 1000000. В первом случае частоте 1 ГГц будет соответствовать значение 1 МГц, а во втором — всего 1 кГц. Кроме того, в последнем случае станет возможным использование компьютера с программой виртуального частотомера или частотомеров цифровых мультиметров (правда, точность при этом будет не слишком высокой).

Этот делитель удобно использовать совместно с частотомером, описанным в «Радио» (Шарыпов А. Экономичный многофункциональный частотомер. — Радио, 2002, № 10, с. 26, 27), так как в этом устройстве имеется режим умножения показаний на 1000 для случая использования внешнего делителя частоты.

Для управления режимами работы микросхемы DD1 служит микроконтроллер (DD2). На D-триггере микросхемы DD3.1 собран делитель частоты на 2. Он необходим, так как на выходе микросхемы DD1 могут возникать короткие импульсы, которые частотомер воспринимает не всегда правильно. На выходе D-триггера формируются импульсы со скважностью 2, что делает работу частотомера более устойчивой. Кроме того, при входном сигнале недостаточного уровня эта микросхема блокирует выходные импульсы. Дополнительный усилитель на микросхеме DA2 с коэффициентом усиления около 25 дБ на частоте 1 ГГц повышает чувствительность всего устройства. На входе приставки установлен ФВЧ C1L1C2, который подавляет сигналы с частотами менее 80…100 МГц, резистивный аттенюатор R3R4R5 согласовывает вход усилителя, что обеспечивает устойчивую работу микросхемы DA2. Диоды VD3, VD4 защищают микросхему от перегрузки по входу.

На диодах VD1, VD2 собран выпрямитель, на ОУ DA1.1 — усилитель постоянного тока, а на ОУ DA1.2 — компаратор напряжения. Эти элементы совместно с микросхемой DD3 обеспечивают защиту от ложных результатов измерения. Дело в том, что во входном усилителе микросхемы DD1 при слабых сигналах возможно самовозбуждение, поэтому на ее выходе может быть сигнал, никак не связанный с входным, и это приведет к неверным измерениям. Указанные элементы блокируют работу D-триггера микросхемы DD3, если напряжение (или мощность) сигнала на входе не достигло определенного значения.
Напряжение питания всех узлов задано интегральным стабилизатором напряжения на микросхеме DA3; диод VD5 защищает устройство от питающего напряжения обратной полярности при неправильном подключении. Светодиоды служат для индикации режимов работы: наличия питающего напряжения — HL1 (зеленый) и включения режима измерения — HL2 (красный).

Делитель частоты работает следующим образом. После подачи питающего напряжения контроллер посылает управляющие команды на микросхему DD1, при этом в ПД и ДПКД устанавливаются требуемые коэффициенты деления, а мультиплексор подключает выход ДПКД к выходу микросхемы DD1. После этого микросхема DD1 переходит в экономичный режим «Sleep». Входной сигнал через ФНЧ и аттенюатор поступает на вход усилителя на микросхеме DA1 (INA-03184). Выбор этой микросхемы обусловлен следующим. Она имеет широкий частотный диапазон при большом коэффициенте усиления: в диапазоне 0,1 …2,7 ГГц — 25 дБ, в диапазоне 2,7…5 ГГц коэффициент усиления плавно уменьшается до 15 дБ. Коэффициент шума усилителя очень мал — 2,2 дБ до 1 ГГц и не более 4 дБ до 3 ГГц. Предельная выходная мощность составляет несколько милливатт, что не создает перегрузки входного усилителя микросхемы DD1.

Усиленный сигнал поступает на вход микросхемы DD1 и на выпрямитель. После выпрямителя постоянное напряжение еще усиливается ОУ DA1.1 и поступает на компаратор. Если напряжение входного сигнала превысит определенное значение, то компаратор переключится, на его выходе появится напряжение высокого логического уровня, который разрешит работу делителя частоты на микросхеме DD3 и на его выходе появится импульсное напряжение с частотой, вдвое меньшей, чем на выходе микросхемы DD1. Одновременно светодиод HL2 начнет сигнализировать о том, что включен режим измерения.

В устройстве можно реализовать коэффициент деления от 100 до 1000000. При этом коэффициент деления в микросхеме DD1 надо установить вдвое меньше — от 50 до 500000. Частотный диапазон устройства ограничен снизу по причине того, что ПД микросхемы DD1 устойчиво работает при большой скорости изменения входного напряжения, на высоких частотах. По мере уменьшения частоты скорость изменения напряжения падает, что приводит к снижению чувствительности ПД. График зависимости чувствительности всего устройства в рабочей полосе частот показан на рис. 2.

Все детали размещают на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита, эскиз которой в масштабе 2:1 показан на рис. 3 (см. также фото на рис. 4). Вторая сторона оставлена металлизированной и соединена с общим проводом первой стороны через отверстия. Плату устанавливают в металлическом корпусе, на стенках которого установлены входное и выходное гнезда и размещены отверстия для светодиодов.
Плата рассчитана для установки микросхем в корпусах для поверхностного монтажа, кроме DA3 (стабилизатор напряжения) и DD2 (микроконтроллер), которую устанавливают в панельке. Микросхему DD1 можно заменить на ADF4112 с верхней рабочей частотой 3 ГГц или на ADF4111с частотой 1,2 ГГц.

В качестве усилителя DA2 можно применить микросхемы INA-54063, MSA-0204, MSA-0286. Детекторные диоды VD1, VD2 можно заменить на 2А201А, 2А202А; светодиоды — любые малогабаритные в пластмассовом корпусе диаметром 3…5 мм с рабочим током 5…10 мА. Полярные конденсаторы — танталовые или алюминиевые для поверхностного монтажа, неполярные — бескорпусные К10-17в или аналогичные импортные. Постоянные резисторы Р1-12 и аналогичные импортные, подстроечный — СПЗ-19. В табл. 1,2 приведены распечатки НЕХ-файлов для «прошивки» микроконтроллера (файл 5105.HEX и табл. 1 — для коэффициента деления 500000; файл 500.НЕХ и табл. 2 — для коэффициента деления 500).

Функциональные возможности устройства можно расширить, если усложнить управляющую программу и принципиальную схему. Так как микросхема DD2 имеет неиспользуемые выводы, то их можно запрограммировать как входы и подавать на них сигналы, по которым будут изменяться команды, поступающие на микросхему DD1. В этом случае можно изменять коэффициент деления, а также использовать второй ДПКД с максимальным коэффициентом деления 16383, который предназначен для деления частоты образцового генератора и работает в диапазоне 5…104 МГц.

Если в схему ввести переключатель и изменить «прошивку» микроконтроллера, то коэффициент деления можно будет изменять этим переключателем. Его контактную пару включают между выводом 4 микросхемы DD2 и общим проводом. В табл. 3 приведена распечатка НЕХ-файла для «прошивки» микроконтроллера для этого случая (файл 500-5105.HEX). В одном из положений переключателя коэффициент деления микросхемы DD1 будет 500000 (общий 1000000), а в другом — 500 (общий 1000).

Прилагаемые файлы:  Схема

И. НЕЧАЕВ, г. Курск
«Радио» №9 2005г.