Схема. Синтезатор частоты для KB трансивера (1)

      Прямой цифровой синтез частоты — DOS (Direct Digital Sinthesys), довольно «молодой» метод синтеза, первые публикации о котором начали появляться в конце 70-х годов. Частотное разрешение DDS достигает сотых и даже тысячных долей герца при выходной частоте в несколько десятков мегагерц. Другой характерной особенностью DDS является очень высокая скорость перестройки по частоте, которая ограничена только быстродействием цифрового управляющего интерфейса. Синтезаторы на основе PLL используют обратную связь и фильтрацию сигнала ошибки, что замедляет процесс перестройки частоты. Поскольку выходной сигнал DDS синтезируется в цифровом виде, можно осуществлять модуляцию различных видов. Как с технической, так и с экономической стороны DDS удовлетворяет большинству критериев идеального синтезатора частоты: он простой, высокоинтегрированный, с малыми габаритами. Многие параметры DDS программно-управляемые, что позволяет заложить в устройство новые возможности. Все это делает синтезаторы DDS очень перспективными приборами.

      С процессами дискретизации и цифро-аналогового преобразования, которые имеют место в DDS, связаны и некоторые ограничения:
> максимальная выходная частота не может превышать половину тактовой (на практике она еще меньше), что ограничивает применение DDS областями HF и части VHP-диапазона;
> отдельные побочные составляющие выходного сигнала DDS могут быть значительными, по сравнению с синтезаторами других типов. Спектральная чистота выходного сигнала сильно зависит от качества ЦАП;
> потребляемая мощность практически прямо пропорциональна тактовой частоте и может достигать сотен милливатт, что может ограничить их применение в устройствах с батарейным питанием.

      Не вдаваясь в подробности структуры и принцип работы микросхем DDS (все это подробно описано в специальной литературе), остановимся лишь на общих вопросах их применения и характеристиках.
      Основной проблемой, пока еще сдерживающей применение микросхем DDS в качестве гетеродина KB трансивера, — это наличие в спектре составляющих, уровень которых около -80 дБ. Они слышны практически сплошной чередой (как «забор» из пораженных точек) при перестройке трансивера с отключенной антенной. Избавиться от этих составляющих можно только следящим за выходной частотой DDS фильтром, но изготовление такого фильтра резко усложняет конструкцию.

      Автор пробовал использовать в самодельных трансиверах синтезированный сигнал напрямую с выхода микросхем DDS, вместо сигнала гетеродина на базе «классического» однопетлевого синтезатора. Выходной сигнал DDS синтезатора фильтровался ФНЧ с частотой среза 32 МГц. Трансиверы, в которых испытывались синтезаторы, были построены по схеме с одним преобразованием и ПЧ в пределах 8,321.. .8,9 МГц. Первый смеситель — пассивный, выполненный на транзисторах КП305Б или на микросхеме КР590КН8А, управляемый «меандром». Уровень ВЧ сигнала на смесителе — не более 3 В (эфф.). Чувствительность — 0,3 мкВ. Динамический диапазон по интермодуляции — не ниже 90 дБ при подаче двух сигналов с разносом ±8 кГц, что, по мнению автора, устроит большинство работающих в эфире радиолюбителей. Именно такие параметры имели все испытанные трансиверы с «классическим» однопетлевым синтезатором. Его подробное описание можно найти на сайте   www.cqham.ru/ut2fw    Там же можно найти схему DDS синтезатора на его основе.

      Испытания синтезаторов показали, что, например, с микросхемой AD9850 уровень составляющих фиксировался на уровне 2…4 балла по шкале S-метра. При подключенной ‘антенне в сумме с уровнем эфирного шума S-метр показывал от 4 до 7 баллов на частотах ниже 10 МГц. На диапазонах 160 и 80 м «забор» практически был не заметен.

      С микросхемой AD9851, паспортные шумовые характеристики которой на 10 дБ лучше, средний уровень комбинационных составляющих не превысил 1…3 балла по шкале S-метра. При работе в эфире на частотах ниже 10 МГц их практически нельзя обнаружить на слух, но это, в свою очередь, зависит от значения выбранной промежуточной частоты (например, 8,363 МГц). Качество самого синтезированного микросхемой DOS сигнала отменное, тон «идеальный», ширина «шума» минимальная. Разрешающая способность анализатора спектра СК4-59 не позволила найти отличие сигнала этого синтезатора от сигнала классического ГПД на полевом транзисторе (КП307Г, индуктивная трехточка, перестройка с помощью КПЕ). Если бы не эти, хотя и довольно слабые, «пик, пик, пик» при перестройке, можно было бы выкинуть однопетлевой синтезатор из трансивера и на его место установить синтезатор DDS.

      Проведенная работа позволяет говорить о невозможности применения микросхем прямого цифрового синтеза AD9850, AD9851 в трансивере с чувствительностью около 0,3 мкВ без ухудшения его характеристик. Не исключено, что при менее жестких требованиях к чувствительности трансивера и другом варианте смесителя эти микросхемы могут найти применение в гетеродине. Наверное, это будет хороший вариант синтезатора микротрансивера для походных условий со всевозможным сервисом (управление от процессора), практически без входных фильтров (преобразование вверх), с непрерывным рабочим диапазоном от 0 до 15 МГц. Размеры синтезатора вместе с управляющим контроллером — не больше спичечного коробка. Максимальная синтезированная частота может быть более 75 МГц, а промежуточная частота трансивера может достигать 60 МГц! Шаг перестройки — хоть доли герца!

      В описаниях микросхем DDS фирма-изготовитель предлагает два варианта их применения в PLL синтезаторах с повышенными требованиями к качеству выходного сигнала: использовать как «подстраиваемый опорный генератор» или как делитель с переменным коэффициентом деления (ДКПД) в однопетлевом синтезаторе. Сведений о различии качественных характеристик синтезаторов обоих версий найти не удалось.

      Анализируя схемотехнику импортных трансиверов, автор обнаружил там реализацию только второго варианта (например, в трансиверах FT-100, FT-817), на базе которого и был построен предлагаемый синтезатор. Следует также отметить универсальность такого варианта синтезатора. В зависимости от управляющей программы и частоты настройки ГУН его можно использовать как для трансивера с низкой ПЧ, так и для трансивера с»преобразованием вверх». В синтезаторе под низкую ПЧ ГУН работает на частотах в четыре раза выше требуемых, а при подаче сигнала на смеситель его частота делится на 4 дополнительным делителем. Исключив делитель на 4, синтезатор можно применять для переделок и расширения возможностей списанной военной связной техники, например, «Р-143», «Ядро», «Кристалл», «Р-399» и им подобным, с высокой первой ПЧ. В табл. 1 приведена «стандартная» раскладка частот под низкую ПЧ (8,863 МГц). В табл. 2 — раскладка частот для ПЧ 90 МГц, которую также можно использовать и под любую другую частоту (ограничений в программе нет), а ее применение в трансивере с низкой ПЧ намного облегчит проблему подавления зеркальных и побочных каналов приема.

      Структурная схема синтезатора приведена на рис. 1. Сигнал тактового кварцевого генератора частотой 20 МГц используется одновременно для работы микросхемы DDS и PIC-контроллера. В зависимости от выбранного диапазона и управляющей программы контроллера микросхема DDS формирует частоты от 80 до 500 кГц, которые через фильтр нижних частот (ФНЧ) поступают на один из входов частотно-фазового детектора (ФД). Выходная частота ГУН делится на 256 и поступает на второй вход частотно-фазового детектора. Напряжение с выхода ФД, пройдя через фильтр НЧ, поступает на варикап перестройки ГУН по частоте. Изменение напряжения происходит до тех пор, пока частоты на обоих входах ФД не совпадут. При совпадении частот кольцо ФАПЧ замыкается и удерживает частоту. Выходной частотой DDS управляет микроконтроллер, в соответствии с заложенной в него программой и состоянием внешних цепей управления. Чтобы частота ГУН подходила для построения TRX с низкой ПЧ, ее дополнительно делят на 2 или на 4 в зависимости оттого, какой смеситель применяется в трансивере. В авторском трансивере формирование управляющих противофазных сигналов для смесителя выполнено на микросхеме 74АС74, которая делит частоту на 2.
       Шаг перестройки синтезатора выбирается программно и может быть установлен с дискретностью в 1, 10, 20, 30, 50, 100,1000 или 5000 Гц. Стабильность частоты синтезатора, зависящая в основном от стабильности тактового кварцевого генератора, сопоставима со стабильностью синтезаторов импортных промышленных трансиверов. При постоянной окружающей температуре уход частоты возможен в пределах нескольких герц. При нагревании тактового генератора паяльником до +70 °С уход частоты на диапазоне 28 МГц — не более 140 Гц. Для примера, в дорогом трансивере «IC-756» (по данным фирмы) в первый час после включения изменение частоты составляет ±200 Гц, а после прогрева — ±30 Гц в час при температуре +25 °С. При изменении температуры от 0 до +50 °С частота может меняться в пределах ±350 Гц.

      В синтезаторе применен гибридный TTL генератор от материнской платы компьютера. При очень жестких требованиях к стабильности частоты можно применить термокомпенсированный высокостабильный генератор, хотя целесообразность его применения вызывает у автора очень большие сомнения, да и стоимость такого генератора сопоставима со стоимостью всего синтезатора.
      Принципиальная схема контроллера синтезатора приведена на рис. 2. В синтезаторе применен микроконтроллер DD1 PIC16F628, хотя существует управляющая программа и под PIC16F84A. Программы для этих микроконтроллеров написаны Владимиром RX6LDQ (develop-pic@yandex.ru).

      Подробно описывать работу микроконтроллера DD1 нет смысла, пусть он останется «черным ящиком», который работает согласно зашитой внутри его программе и выдает управляющие сигналы на дисплей HG1, микросхему DDS и внешние устройства. Для получения наилучших шумовых характеристик синтезатора в целом была выбрана микросхема DDS AD9832, которая формирует наиболее широкий частотный спектр. К тому же стоимость этой DDS микросхемы существенно ниже других.

      Работой синтезатора управляют посредством клавиатуры SB1 — SB 18 и валкодера, выполненного на оптопарах U1, U2 (рис. 3). Число кнопок управления в синтезаторе не стали уменьшать — 12 кнопок управляют работой синтезатора, а шесть кнопок (А1 — А6) служат для управления режимами работы трансивера. Почему так много кнопок? Можно было остановиться на пошаговом меню, когда каждая из них выполняет несколько функций. Так, например, работают импортные портативные трансиверы. Мне показалось крайне неудобным, когда, например, для оперативной перестройки в другой конец диапазона требуется войти в меню, изменить шаг перестройки на более грубый, повернуть ручку настройки, затем снова войти в меню, вернуть исходный шаг перестройки и только после всех этих манипуляций спокойно работать.

      В описании клавиатуры синтезатора для каждой кнопки управления последовательно указаны: ее порядковый номер и основная функция (команда, выполняемая при нажатии кнопки), включаемый диапазон при входе в функцию «BAND» и позиционное обозначение на принципиальной схеме (см. рис. 2).

      «1 RIT»; 1,8 МГц; SB11 — кнопка включения расстройки. Частота, отображенная на дисплее в момент нажатия кнопки, запоминается и будет использована в режиме передачи. Величина расстройки вводится валкодером. Независимо от того, останетесь ли вы на том диапазоне, где была включена расстройка, или перейдете на другой диапазон, при переходе на передачу синтезатор вернется на ту частоту, которая была на дисплее в момент включения расстройки. Тем самым обеспечиваются режимы SPLIT и CROSSBAND. При включении расстройки на дисплее зажигается точка после ДЕСЯТКОВ МГц. Выключается расстройка повторным нажатием на эту кнопку.

      «2 FREQ»; 3,5 МГц; SB12 — оперативное включение/выключение программного увеличения (учетверения) шага перестройки частоты. При нажатии этой кнопки на дисплее на короткое время выводится надпись «2n». Умножения числа импульсов от валкодера не происходит и, например, при 60-ти зубьях диска валкодера и шаге перестройки 10 Гц имеем 600 Гц на оборот. При повторном нажатии на эту кнопку на дисплей выводится надпись «4n» и произойдет умножение числа импульсов на 4, т.е. уже получим 2400 Гц на один оборот.

      «3 BAND»; 7 МГц; SB13 — кнопка разрешения переключения диапазонов. При ее нажатии на дисплей выводится надпись «Band», а затем, после нажатия одной из кнопок «1—9», на дисплее устанавливается частота, соответствующая середине выбранного диапазона.

      «4 IN»; 10 МГц, SB14 — сохранение текущей частоты настройки и состояния шести кнопок управления трансивером в одну из 16 ячеек памяти. При нажатии на SB14 на дисплей выводится надпись «Push» и ожидается нажатие кнопки с номером необходимой ячейки. Для ввода номеров с 10-го по 15-й необходимо в течение секунды после нажатия цифры 1 ввести вторую цифру, от 0 до 5. На дисплее высветится номер ячейки. В ячейке 0 хранится информация, используемая для установки начального состояния синтезатора при включении питания, т.е. в нее можно записать желаемые значения, например, шага перестройки и включения какого-либо режима в TRX, частоту, на которую перейдет синтезатор при включении питания трансивера. Для примера, у вас с корреспондентом договоренность встретиться на частоте 21,225 МГц. Вы переводите трансивер на эту частоту, включаете УВЧ (нажатием кнопки SB3), выбираете шаг перестройки, которым хотите работать, и затем нажимаете кнопки «IN» и «0». Все установки записались в ячейку «0». Теперь можно выключить трансивер, а при его следующем включении процессор установит все те режимы, которые вы сохранили в нулевой ячейке — включит УВЧ, частоту 21,225 МГц, шаг перестройки.

      «5А-В»; 14 МГц; SB15 —обмен с дополнительной частотой приема. Это так называемый режим «второго гетеродина». Для запоминания значения частот в «виртуальных» ячейках «А» и «В» нужно настроиться на требуемую частоту и нажать эту кнопку. Произойдет запоминание частоты в ячейку «А». Это же значение частоты на дисплее «перепрыгнет» в ячейку «В», т. е. виртуально мы как бы «переключились» на второй гетеродин. Здесь можно делать любые изменения частоты — запоминание в ячейку «В» произойдет только при повторном нажатии кнопки А—В, т. е. в ячейках «А и В» происходит запоминание значений двух частот, которые были на цифровой шкале в моменты нажатия кнопки А—В. Возможно для радистов, не использовавших в своих трансиверах синтезаторы, такое описание работы этой кнопки не даст ясного понимания ее назначения. Попробую по-другому описать этот режим. Представьте себе, что внутри трансивера установлены два ГПД и этой кнопкой переключается одна ручка настройки на ГПД «А» или на ГПД «В». Чтобы было ясно, на каком «гетеродине» вы работаете, на дисплей выводится в режиме «А» точка возле ЕДИНИЦ МГц шкалы, в режиме «В» — точка возле ЕДИНИЦ МГц гаснет и загораются три точки возле ЕДИНИЦ, ДЕСЯТКОВ и СОТЕН герц шкалы.

      «6 SCAN»; 18 МГц; SB16 — кнопка сканирования. После ее нажатия на индикатор выводится надпись «Scan». Имеется три подфункции сканирования:
   а. При нажатии кнопки «8» происходит сканирование 15-ти ячеек памяти, с остановками по 3 секунды на каждой ячейке.
   б. При нажатии кнопки «2» производится сканирование от меньшей частоты, записанной в ячейке 1, до большей частоты, записанной в ячейке 2. Если частота в 1-й ячейке больше, чем во 2-й, при нажатии SCAN появляется надпись «Error». Сканирование возможно только в пределах одного диапазона.
   в. При нажатии кнопки «3» происходит перестройка включенного диапазона от нижней границы до верхней и обратно.
       Прервать сканирование можно нажатием любой кнопки клавиатуры, поворотом валкодера или нажатием тангенты. Сканирование можно продолжить в любой момент с точки остановки двойным нажатием кнопки SCAN.

      «7 R-T»; 21 МГц; SB17 — обмен частотами приема и передачи, при включенной расстройке. При нажатии кнопки — частота передачи становится частотой приема, а частота приема — частотой передачи. Повторное нажатие SB17 возвращает все в исходное состояние. Если расстройка не включена, то при нажатии кнопки «7» на дисплее появляется сообщение «Select». Это меню из двух базовых настроек, перейти к которым можно, нажимая кнопку «1» или «2»:
   «1» — режим ввода промежуточной частоты. На дисплее появляется значение установленной промежуточной частоты трансивера (по умолчанию начальная частота в программе может иметь значения от 8,3 до 8,9 МГц). Частота устанавливается валкодером. Фиксация ПЧ и выход из режима при повторном нажатии кнопки «1». После окончательного выставления частоты опорного генератора трансивера измерить частоту частотомером до единиц Гц и выставить ее вращением ручки валкодера, войдя в этот режим. Предварительно следует выбрать шаг перестройки синтезатора 1 Гц.
   «2» — режим корректировки константы опорного генератора 20 МГц. На дисплей синтезатора выводится значение «фиксированной частоты» 10 300 000 Гц и автоматически включается ГУН диапазона 160 м. Частоту на выходе платы ГУН нужно измерить частотомером, и если она отличается от 10,30 МГц — откорректировать вращением валкодера. Выход и запоминание — повторным нажатием кнопки «2».

      Эти настройки синтезатора являются «базовыми», и их следует провести более тщательно. Для этого на выход синтезатора F/2 подключаем прогретый не менее часа частотомер (желательно промышленный) и вращением валкодера в режиме коррекции выставляем частоту 10,30 МГц с точностью до одного герца. Эта функция потребовалась в связи с тем, что опорный генератор синтезатора не имеет дополнительной подстройки и разбросы по частоте у различных экземпляров могут достигать нескольких килогерц.

      «8 OUT»; 24 МГц; SB18 — восстановление частоты и состояния шести кнопок управления трансивером из одной из 16 ячеек памяти. При нажатии на дисплей выводится надпись «Pop» и ожидается нажатие кнопки с соответствующим номером ячейки. Для ввода номеров от 10 до 15 необходимо в течение секунды после нажатия цифры 1 нажать вторую, от 0 до 5. После ввода номера на индикаторе на короткое время появится номер ячейки памяти.

      «9 T=R»; 28 МГц; SB1 — режим установки частоты передачи, равной частоте приема. Работает при включенной расстройке. Если расстройка выключена, то при нажатии кнопки «9» на индикатор выводится надпись «Step» и кнопками LEFT и RIGHT можно выбрать нужный шаг перестройки синтезатора: 1, 10, 20, 30, 50, 100, 1000 и 5000 Гц. Запоминание выбранного шага происходит при повторном нажатии этой кнопки.
«О STEK», SB10 — извлечение частоты из стека. Имеется пять ячеек стека, просмотреть которые можно, последовательно нажимая кнопку. Перед выводом частот из ячеек стека на индикатор кратковременно выводится надпись «Stec» с номером ячейки. Ввод в стек осуществляется автоматически при смене диапазона, при извлечении из ячейки памяти и при сканировании.

      «LEFT»; SB9 — кнопка оперативного понижения частоты.

      «RIGHT»; SB8 — кнопка оперативного увеличения частоты.
      При нажатии кнопок «А1″—»А6» (SB2— SB7) соответственно изменяются логические уровни на выходах ATT, AMP, U/L, VOX, AF BW, PROC, которые, в свою очередь, управляют функциональными узлами и режимами трансивера. При первоначальном включении синтезатора на этих выходах логический ноль.

Александр Тарасов (UT2FW), г. Рени, Украина
«Радио» №№5,6 2004г.

Похожие статьи:
Синтезатор частоты KB трансивера
Синтезатор частоты радиоприемника УКВ
Синтезатор частоты для УКВ радиоприемника
Синтезатор частоты для KB радиостанции
Регулятор—стабилизатор частоты вращения сверла
Синтезатор частоты для KB трансивера (2)
Синтезатор частоты диапазона 144 МГц