1. Введение

Предлагаемый Вашему вниманию синтезатор частоты предназначен для работы в составе вседиапазонного КВ-трансивера среднего класса. При разработке ставилась задача создать максимально простое, дешевое и хорошо повторяемое в любительских условиях устройство. Но его простота не за счет ухудшения электрических параметров. Настоящий синтезатор по своим возможностям по меньшей мере не уступает известным любительским разработкам [1],[2],[3]. Ну а по сложности... Судите сами.

Это однопетлевой PLL-синтезатор с частотой сравнения 4кГц. Достаточно высоко, не правда ли? Синтезатор описанный в [1] имеет частоту сравнения 400/800Гц, в [2] -- всего 244Гц! Это означает что предлагаемое устройство потенциально должно иметь лучшие шумовые параметры и меньшее время установления, по сравнению с вышеназванными. Подробнее -- см. [4]. Основные технические характеристики синтезатора приведены ниже.

Синтезатор формирует сетку частот в диапазоне от 25 до 50мГц. Разделив выходную частоту на два в степени N (2,4,8,16,32...), можно получить любую частоту, вплоть до звуковой. При ПЧ трансивера 5мГц достаточно двух коэффициентов деления: 1/2 и 1/4. Пример раскладки частот для трансивера с этой ПЧ приведен в Табл.1

Таблица 1. Пример раскладки частот для трансивера с ПЧ 5мГц.

2. Описание схемы

Как видим на Рис.1, блоки 3,4,8,9, охваченные петлей ФАПЧ (PLL), формируют сетку частот с шагом 4кГц. Для организации перестройки в пределах четырехкилогерцового сегмента используется сдвиг частоты опорного кварцевого генератора. Согласен, это снижает стабильность опорного генератора, и, соответственно, общую стабильность синтезатора, но как показала практика, с этим вполне можно мириться. Кстати, в промышленных частотомерах, например, Ч3-34, опорный кварц тоже подстраивается варикапом, и ничего, имеем долговременную стабильность 10E-8!

Диапазон перестройки кварцевого генератора считаем по формуле:

dF = Fоп/(K+1), (1)

где dF - приращение частоты опорного кварцевого генератора;
Fоп - частота опорного кварцевого генератора;
K - коэффициент деления ДПКД.

Максимальный диапазон перестройки опорного кварцевого генератора будет на минимальной рабочей частоте синтезатора, т.е. на 25мГц.

K = 25000/4; K = 6250; (2)
dF = 8000/(6250+1); dF = 1.28кГц. (3)

Всего 1.3кГц! Для кварца 8мГц это вполне реально. В этом случае дискретность перестройки частоты при использовании восьмиразрядного ЦАП`а будет 4000/(2^8)=15.6Гц. А если учесть делитель частоты на выходе синтезатора -- то 16.625/4=4.2Гц. Это минимальная физически достижимая дискретность перестройки в данном синтезаторе. Фактически, дискретность перестройки на разных диапазонах выравнивается программно и приводится к величине 12..15Гц.

Но при такой схеме синтезатора сразу возникают две проблемы. Первая -- сопряжение сегментов. При необходимости перестроить синтезатор, скажем, вверх, процессор последовательно увеличивает код ЦАП, управляющий сдвигом частоты опорного кварца, тем самым меняя выходную частоту. Этот процесс идет монотонно до тех пор, пока частота не достигнет границы текущего четырехкилогерцового сегмента. В этот момент происходит изменение коэффициента деления ДПКД и переход на следующий сегмент. Но, код ЦАП в этот момент тоже меняет свое значение от максимального к минимальному. Этим компенсируется скачек частоты: частота на выходе синтезатора изменяется только на величину одного шага. Поскольку значение сдвига опорного кварца является функцией от коэффициента деления ДПКД, то бишь от выходной частоты синтезатора, код, записываемый в ЦАП, вычисляется аналитически при каждом изменении коэффициента деления ДПКД. Вычисление этого кода в реальном времени и является первой проблемой.

Вторая проблема напрямую связана с первой. Это нелинейность регулировочной характеристики системы ЦАП-варикап-кварц. При проектировании данного синтезатора зависимость код-частота апроксимировалась прямой линией. Во время макетирования выяснилось, что в этом случае точное сопряжение сегментов возможно только на одном диапазоне, на остальных же появляется небольшая погрешность. Пришлось уже в процессе настройки снимать экспериментально регулировочную характеристику и вводить в программу таблицу поправок.

Из вышесказанного следует, что для управления синтезатором необходим компьютер. Он может быть как внешний, например IBM PC, так и встроенный в трансивер. Вариант с управлением извне в настоящей статье рассматривать не будем, хотя у автора есть и такая разработка. Для управления синтезатором выбрана однокристальная микро-ЭВМ AT89c2051 фирмы Atmel. Эта микросхема при малых размерах (корпус DIP20), малой потребляемой мощности -- 50 мВт (менее 10ма при 5В) является функционально завершенной ЭВМ. А если учесть что стоит она менее $5... Сейчас уже прошло время 'монстров', содержащих десятки корпусов ИС, потребляющих от источника питания несколько ампер, и сеящих помехи в радиусе многих метров. Кстати о помехах. Контроллер на AT89c2051 их практически не создает. В одном из трансиверов синтезатор был установлен вообще без экрана, при полном отсутствии пораженных точек на всех диапазонах кроме 28мГц. Но там уж сказался не очень удачный выбор ПЧ.

Теперь обратимся к схеме. Синтезатор состоит из двух основных узлов: платы синтезатора и дисплейного модуля. Они изображены, соответственно, на и . Плата синтезатора содержит четыре ИС, а диспленый модуль -- три. (Интегральные стабилизаторы не считаем).

Начнем с платы синтезатора. DA1. Однокристальный синтезатор. Содержит в себе ДФКД, ДПКД, ИФД -- блоки 2,3,4 на Рис.1. Подробнее о нем см. [6]. Внутренний опорный генератор не используется, так как с ним не удается получить приемлемого сдвига частоты. Опорная частота подается с внешнего генератора, выполненного на VT8 по традиционной схеме. Следует отметить наличие диода VD10, который создает небольшое отрицательное смещение на затворе транзистора. Это, во первых, несколько стабилизирует сигнал на выходе генератора, а во вторых, снижает его амплитуду. Для чего это нужно? Дело в том, что данный генератор управляется варикапами, на которых за счет выпрямления генерируемых колебаний появляется постоянное напряжение, уменьшающее коэффициент перекрытия. Чем меньше амплитуда -- тем меньше эта паразитная 'подпорка' Кроме того, для уменьшения эффекта детектирования, используется не один варикап, а два, включенные встречно-последовательно. С выхода DA1.7 сигнал с частотой 8 мГц подается на тактовый вход процессора.

На вход 10 DA1 подается сигнал с ГУН. Он выполнен на VT5. В качестве колебательной системы используется контур, состоящий из варикапов VD5,VD6 и пяти последовательно включенных катушек индуктивности. В зависимости от поддиапазона, включены либо все катушки, либо часть из них отсекается коммутационными PIN-диодами. Раскладка частоты ГУН приведена в Табл.2.

Коммутационные диоды управляются через ключи VT1..VT4 кодом, который процессор записывает в регистр DD3. С этого же регистра снимается четырехбитный код диапазона. Этот код используется для управления диапазонным полосовым фильтром трансивера.

Контакты 12,13 DA1 являются выходами импульсно-фазового детектора. Элементы R53,R54,R61,C35 и C36 образуют ФНЧ (блок 9 на Рис.1) Далее следует режекторный фильтр на частоту сравнения (4кГц), который состоит из элементов C31,C32,C33,C34,R56,R57,R58,R59. Это двойной Т-мост, частоту режекции которого можно посчитать по формуле:

Fреж. = 1/(2*Pi*R*C) (4)

ЦАП (блок 5 на Рис.1) выполнен на регистре 561ИР2 (DD2). Код вдвигается в него процессором последовательно, от старшего бита к младшему. К его выходам подключены весовые резисторы с сопротивлениями равными 10k*2^N, где N=0,1,2..7 (10,20,40...1280кОм). Эти резисторы должны быть подобраны с точностью не хуже 0.5% Это не так сложно как кажется, достаточно иметь пачку резисторов, китайский цифровой тестер и пару часов свободного времени. Правда, есть тут один тонкий момент, который будет рассмотрен ниже.

DD1. Однокристальная ЭВМ, она же 'процессор', она же микроконтроллер. Ну что про нее сказать, -- если Вы профессионал-системотехник -- Вы и так все знаете, в крайнем случае посмОтрите на WWW-страничке фирмы Atmel (http://www.atmel.com), а если нет -- считайте ее 'черным ящиком', который производит какие-то действия по программе, 'зашитой' внутри. А о программе уж позаботится автор. Обращайтесь.

Дисплейный модуль. Он подключается к плате синтезатора пятью проводами:

Data - последовательные данные;
Clc - тактовые импульсы;
Gnd - сигнальная 'земля'
Key1 - первая линия опроса клавиатуры;
Key2 - вторая линия опроса клавиатуры.

С процессора идет еще один сигнал, предназначенный для дисплея, это

STB - сигнал гашения индикаторов,

но в описываемом варианте дисплея он не используется. Период регенерации дисплея -- 2.5мс. Каждые 2.5мс процессор вдвигает в дисплей двенадцатиразрядное управляющее слово, которое определяет подсветку одного из восьми знакомест индикатора. Старшие биты следуют первыми. Назначение битов управляющего слова указаны на Рис.5.

Управляющее слово фиксируется сдвиговыми регистрами 561ИР2 (DD1,DD2), к вызодам которых подключены ключи VT1..VT8 и дешифратор номера разряда 555ИД10 (DD3), которые упрааляют светодиодным индикатором HG1. Следует отметить элемент DD2B. На нем собран одновибратор гашения. При поступлении тактовых импульсов на вход 'C' (DD2.9), лог. единица со входа регистра передается на его выход (DD2.5) и держится там до тех пор, пока конденсатор C3 не зарядится до уровня лог. единицы. Постоянная времени цепочки R1,C3 определяет длительность импульса на выходе. Этот импульс подается на DD3.12 и используется для гашения индикатора на время последовательного ввода информации в дисплей. Именно благодаря этому одновибратору и не используется сигнал Stb процессора, что позволило уменьшить толщину жгута, тянущегося к дисплею, один провод.

В качестве индикатора на схеме обозначен АЛС318. Он, конечно, будет работать, но лучше поставить что-то с более крупными знакоместами. Больше всего, на мой взгляд, подходят сборки из трех строенных светодиодных индикаторов корейского производства, которые частенько применяются в самодельных АОН-ах. Они совпадают по цоколевке с АЛС318 и на любом радиолюбительском рынке продаются у 'аонщиков'. В крайнем случае можно набрать матрицу из АЛС324 или им подобных.

Вообще говоря, приведенной информации вполне достаточно, что бы подготовленный радиолюбитель разработал дисплей сам, по своему вкусу и возможностям. Ведь конструкция дисплея очень сильно зависит от конструкции трансивера, в который этот дисплей будет установлен.

Клавиатура содержит 12 кнопок на замыкание без фиксации. Ее конструкция не приводится по понятным соображениям. Она опрашивается один раз за 8 циклов регенерации, т.е. пятьдесят раз в секунду. При нажатии на любую кнопку, на выходе 'Sound' генерируется короткий звуковой сигнал, который может быть выведен на любой излучатель или подмешан в тракт НЧ трансивера.

3. Конструкция и детали

Конструктивно, синтезатор выполнен на двух печатных платах: плате синтезатора, , , и плате дисплея, , , . Печатная плата синтезатора односторонняя, со сплошной металлизацией со стороны компонентов, которая является общей земляной шиной. Отверстия, в которые проходят выводы элементов, не имеющие контакта с землей, со стороны фольги раззнекованы. Стремясь облегчить повторение в домашних условиях, печатная плата разведена так, что ее можно нарисовать руками, т.е. ни один печатный проводник не проходит между ножками микросхемы. Но из-за этого пришлось вести три наплатные перемычки. ГУН синтезатора заключен в экранирующую коробку. Стенки ее высотой 12мм сделаны из белой жести и припаяны к фольге со стороны компонентов. Сверху коробка закрыта крышкой из одностороннего стеклотекстолита (фольгой вверх), которая по периметру припаяна к стенкам. Рекомендуется впаивать стенки коробки ГУН-а до монтажа элементов, а крышку -- в самом конце, после полной настройки синтезатора.

Катушки ГУН-а L1..L5 бескаркасные, намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 0.8мм. Моточные данные см. в Табл.3. Катушки установлены с зазором 2 мм между платой и нижним краем обмотки. Дроссели L6, L7 и L8 промышленного изготовления, но их можно намотать и самому на ферритовых кольцах K7x4x2 600НН. DA2,DA3 -- маломощные интегральные стабилизаторы с максимальным током 100ма. Их можно заменить на КР142ЕН8,КР142ЕН5, но последние великоваты по размерам.

Таблица 3. Моточные данные катушек ГУН

Под микросхему DD1 надо обязательно предусмотреть панельку. Все постоянные резисторы использованы МЛТ-0.125. Конденсаторы -- КМ5, КМ6, за исключением C36 -- K53-14 и C35, который должен быть малогабаритным пленочным. C44 и C48 любые электролитические полходящих габаритов. В качестве VD1..VD4 подойдут коммутационные PIN-диоды. Варикапы можно заменить на аналогичные с начальной емкостью ок. 5пФ и с коэффициентом перекрытия по емкости не менее семи.

Весовые резисторы ЦАП, как уже было сказано, подбираются с точностью 0.5% по следующей методике. Допустим нам надо изготовить резистор с сопротивлением 80к. Берем резистор ближайшего меньшего номинала -- 75к и измеряем его сопротивление. Получаем, например, 76.25к. 80-76.25=3.75. Теперь берем пачку резисторов 3.6к и подбираем ближайший к 3.75. После чего, сложив два подобранных резистора параллельно, скручиваем их выводы с одной стороны и аккуратно спаиваем, стараясь не перегревать. После того как они остынут, снова измеряем сопротивление так как бывает что при перегреве сопротивление резисторов немного уходит. В печатную плату изготовленные резисторы устанавливаются вертикально.

Плата дисплея двухсторонняя. Она устанавливается в трансивер компонентами вниз, т.е. индикатор оказывается вверх ногами. Для правильного отображения сегментов изменена разводка контактов индикатора по сравнению с принципиальной схемой. Клавиатура монтируется отдельно и соединяется с платой дисплея шестью проводами, согласно принципиальной схеме. Светодиод устанавливается на длинных выводах вертикально и изгибается на 90 градусов в сторону оператора.

4. Настройка

Настройку синтезатора рекомендуется производить одновременно с монтажом. Прежде всего надо смонтировать опорный кварцевый генератор и элементы питания. Для настройки, резистор R25 необходимо перемкнуть, а на на верхний (по схеме) контакт резистора R24 подать +5v. При вращении движка R24 от одного крайнего положения до другого -- частота на выходе генератора должна изменяться не менее чем на 1.5 кГц. Причем в нижнем положении, частота должна быть ровно 8000000Гц

Затем на плату устанавливаются элементы ГУН и производится укладка частот согласно Табл.2. Для этого на левый (по схеме) вывод R31 надо подать постоянное напряжение, регулируемое от 0 до 5В. Обычно, при правильно выполненных катушках, поддиапазоны ГУН перекрываются с большим запасом и дополнительной подстройки не требуется, но при необходимости, можно подогнать индуктивность катушек сжимая и растягивая витки. Подгонку надо начинать с высокочастотного диапазона. Контролировать частоту после подгонки необходимо накрыв коробочку ГУНа достаточно большой металлической пластиной, которая в данном случае служит крышкой.

После настройки ГУНа можно установить все остальные детали и производить окончательную настройку синтезатора. Желательно проконтролировать форму сигнала на выводе DD1.4. Он должен иметь размах от 0 до 5 В. В противном случае, необходимо уменьшить величину C15. Во время отладки было установлено что отдельные экземпляты 1508ПЛ1 при отсутствии этого конденсатора работают неустойчиво. Но если его величина велика -- тогда может не хватить амплитуды на тактовом входе процессора.

ЦАП настройки не требует, за исключением обещанного тонкого момента. Дело в том, что напряжение на выходе регистра 561ИР2 немного зависит от тока нагрузки. И поэтому, самый старший разряд, а именно DD2.10 немного 'подсаживается', так как к нему подключен резистор самого меньшего номинала. Выглядит это так как изображено на Рис.9.

Из этого следует, что резистор R22 должен быть не 10к, а немного меньше. Проще всего вместо R22 временно включить переменный и точно подобрать его номинал.

Завершвет настройку синтезатора сопряжение сегментов. Эта операция производится тогда, когда синтезатор уже полностью собран. К выходу синтезатора необходимо подключить частотомер. Затем, перестраивая синтезатор манипулятором, надо найти момент, когда код на входе ЦАП изменяет свое значение от максимального к минимальному (переход к следующему сегменту). В этот момент, наверняка, произойдет скачек частоты, что можно будет наблюдать посредством частотомера. Вращая резистор R24, добейтесь монотонного изменения частоты при переходе от одного сегмента к другому. Эту операцию лучше всего делать на Вашем любимом диапазоне. :) А если у Вас все любимые -- то на диапазоне 3.5мГц.

Дисплейный модуль настройки не требует.

5. Работа с синтезатором

Особенностью предлагаемого синтезатора является способ управления частотой. Здесь нет традиционной круглой ручки, управление синтезатором осуществляется с манипулятора телеграфного ключа. Естественно, кроме функции перестройки в режиме приема синтезатор еще работает как электронный телеграфный ключ в режиме передачи. Кроме того, в постоянную память синтезатора записано несколько стандартных телеграфных фраз, которые в режиме передачи вызываются нажатием на одну из кнопок цифровой клавиатуры. Конечно, очень многие воспримут это новшество отрицательно, и специально для 'консерваторов' :), есть вариант с валкодером. Он отличается только программно и не требует изменения схемы. Но, конечно, все функции телеграфного ключа в нем недоступны.

Манипулятор может иметь как обычную конструкцию, так и специальную, со сдвоенными контактами. Дело в том, что синтезатор допускает две скорости перестройки. Скажем, замкнут левый контакт -- после небольшой паузы (сейчас установлена задержка 0.1с) частота начинает медленно плыть вверх. Нажимаем сильнее -- частота побежала в пять раз быстрее. Нажат левый -- частота пошла вниз, сильнее -- быстрее. Таким образом, манипулятор должен иметь по два контакта с каждой стороны. Один замыкается первым, другой -- вторым. Причем первый правый соединен со вторым левым, а первый левый -- со вторым правым. Получается что при слабом нажатии -- на землю замыкается один контакт, при сильном -- оба. Кратковременное замыкание контакта манипулятора (менее 0.1c) вызывает изменение частоты на выходе синтезатора на один шаг. Конструкция манипулятора не приводится, каждый может разработать его по своему вкусу.

При включении синтезатора, он выдает краткий звуковой сигнал, на дисплее на 0.5 секунды появляется начальное сообщение и синтезатор переходит на диапазон 14мГц. в середину RTTY участка. Частота индицируется с точностью до 100Гц, буква 'A' или 'B' в первой позиции индикатора обозначает активный VFO.

Для переключения режимов синтезатора используется клавиатура из 12 кнопок. Они соединены матрицей 6x2. Один из вариантов клавиатуры приведен на Рис.10.

6. Заключение

Программа, которая управляет описываемым синтезатором, постоянно совершенствуется. Добавляются новые функции, устраняются старые ошибки, появляются новые... Программисты меня поймут.

Автор с благодарностью примет любые пожелания, замечания, критику.

7. Литература

1. В.Денисов и др. Синтезатор частоты трансивера. 'Радио', 1/90.
2. А.Кухарук. Синтезатор частоты. РЛ 1/94, с.39
3. А.Тарасов. Синтезатор частоты для коротковолнового трансивера. РЛ 3/96 с.32.
4. В.А.Левин и др. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. М. 'Радио и связь',1989г.
5. О.Головин. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона. М. 'Радио и связь',1985г.
6. В. Стасенко. Синтезатор частоты для радиостанции диапазона 144-146мГц. РЛ 4/95 с.41.

(c)1997-1998г. Alexey L. Beliansky