Наконец-то! Такой загадочный и одновременно притягательный SDR-приемник обрел свою бытийность на моем, заваленном всяким хламом, технарском столе! А это значит, что следующий шаг в освоении панорамного приема сделан! Шаг непростой, но результат вполне осязаемый!
Привет друзья!
Краткое содержание предыдущей части. Замучавшись крутить ручку своего старенького радиолюбительского приемника, в поисках жизни на любительских КВ диапазонах, я решил сделать что-то посовременнее. На передачу я работать пока не планирую, а вот облегчить поиск тех, кто во всю этим наслаждается, было бы неплохо. Решил делать новый приемник с использованием современных технологий. Но, поскольку любой приличный приемник всегда начинался с гетеродина, который нынче превратился в синтезатор частоты, то с него я и начал. В прошлой серии я показал схему и конструкцию простого синтезатора на связке SI5351 и Arduino Pro Micro.
Начиная делать синтезатор я слабо себе представлял продолжение. Что делать дальше? Что я точно хотел, так это сделать панорамный обзор диапазона. Но чем дальше я углублялся в современные технологии, тем отчетливее проявлялись очертания "белого пятна" на карте моего радиолюбительского опыта - SDR-приемники. Выяснилось, что я очень смутно представлял себе эту область радиоприема. А раз так, то появлялся весомый аргумент - разобраться в этом вопросе более детально. Но, читать мало. Нужна практика. Так возникла идея создания SDR-приемника на основе разработанного синтезатора частоты.
Далее пойдет рассказ о подробностях разработки, изготовления, настройки и испытаниях этого устройства.
Поехали!
Немного теории и техническое задание на любительский SDR-приемник
Для тех, кто не очень понимает о чем идет речь, дам очень краткое введение в особенности SDR-приема, а потом сформулирую требования к будущему устройству. Кто уже знаком с техникой SDR приема, может тоже прочитать.
Идея SDR (Software Defined Radio)-приемника в том, что все операции по обработке сигнала осуществляются в цифровом виде (компьютером или специализированным контролером). Для этого исходный, усиленный (тут без аналоговой схемотехники никак) радиосигнал нужно "оцифровать" при помощи АЦП, а дальше - дело процессора. А процессор может все! Фильтровать, демодулировать, декодировать... Просто? Да, но есть нюансы. Радиочастотный сигнал имеет высокую частоту колебаний. Например, основные радиолюбительские диапазоны 1,6...30 МГц. А есть еще выше! Сотни мегагерц не хотите? Чтобы такое оцифровать нужны очень скоростные АЦП (аналого-цифровые преобразователи). И такие есть! И становятся все более доступными. И, зараза, убивают всю радиолюбительскую романтику в корне! Прошу прощения за эмоции!
А можно обойтись без всех этих современных новомодных штучек? Ну хоть кусочек романтики остался? Спешу обрадовать всех, кто это читает! Можно обойтись и без дорогих современных примочек. Ведь у каждого из нас есть суперкомпьютер (ну, скажем, по меркам 80-х годов). Можно ли его использовать? А почему нет! Скажу больше! Каждый компьютер оснащен звуковой картой, которая умеет оцифровывать сигнал. К сожалению только низкочастотный, звуковой сигнал. Частота дискретизации обычной звуковой карты равна 48 килогерц. Это позволяет работать с сигналами, частотой не выше 24 кГц (на практике чуть ниже,примерно 22). Это мало! А как же мегагерцы? Тут все просто! Нужно перенести требуемый кусок диапазона в область низких частот, а затем уже загнать его в компьютер. Сделать это можно при помощи устройства, называемого смесителем. Эту операцию умеют делать все приемники (ну, кроме прямого усиления, разумеется). Для этого входной сигнал нужно перемножить с частотой гетеродина (или синтезатора, который мы уже сделали).
Есть и еще одна хорошая новость! В современных компьютерах звуковые карты содержат два канала звука (левый и правый), на каждом из которых установлен свой АЦП. Тогда можно очень сильно схитрить. На один канал перенести часть спектра, расположенную выше сигнала гетеродина, а на другой, ту, которая ниже.
Это расширит диапазон частот с 24 кГц до 48! А это уже очень неплохо. Например, полоса частот, занимаемая однополосным сигналом (SSB-модуляция) занимает около 3 кГц. Таких полос влезет в наш диапазон аж 16 штук. А сигнал телеграфной модуляции не шире 1 кГц! Вот и считайте! Причем при помощи компьютера можно анализировать сразу весь участок диапазона и сразу находить на нем - где спрятались коротковолновики! Собственно именно это желание и побудило меня посмотреть в сторону SDR-радиоприемников.
Итак, компьютер есть, синтезатор есть. Нужен смеситель, с которого можно получить двухканальный звуковой сигнал нужной величины (чтобы звуковая карта разобрала). Нужный нам смеситель носит название квадратурного. Он позволяет выделить верхнюю и нижнюю полосы частот относительно частоты гетеродина. Для этого исходный сигнал перемножается в одном канале на частоту гетеродина, а во втором на ту-же частоту, но сдвинутую по фазе на 90 градусов относительно исходной величины (на sin и cos, которые как раз и сдвинуты на 90 градусов). Результат, по-сути, ни что иное комплЕксное (ударение на Е) представление сигнала, содержащее информацию не только об амплитудном, но и о фазовом спектре. Кроме того, знание фазы позволяет нам выполнять любой вид демодуляции исходного сигнала (амплитуды, частоты или фазы). Эту задачу мы возложим на компьютер.
Устройство, которое сможет перенести нужные нам частоты в область звука и подготовить их к передачи на звуковую карту компьютера я и буду называть SDR-приемником. Его и буду делать. Если кто не хочет делать ручками, то в продаже можно найти кучу готовых SDR-приемников в которых почти вся обработка происходит внутри, а готовые данные передаются в цифровом виде, минуя звуковую карту. И стоят не слишком дорого! И по характеристикам могут быть лучше! Но, это явно не мой путь! Помните? Ну, романтика и все такое... Да и разобраться можно только если пощупаешь своими руками.
Теперь, о том, что хотелось бы. А хотелось мне простое устройство. Простое не потому, что я боюсь сложности, а потому, что на таких устройствах вылезают все характерные проблемы, заставляющие поломать голову и лучше понять теоретические основы. Но, есть и ряд специфических требований.
1. Диапазон частот - радиолюбительский, до 30 МГц. Синтезатор позволяет и больше, но пока хватит. Все самое интересное тут!
2. Простая антенна. В моем случае - кусок провода в 10 метров кое-как протянутый из моего окна на балкон и зигзагом в оконных проемах балкона! Такие антенны называют обычно суррогатными.
3. Доступные и недорогие детали. Чтобы можно было купить в наших магазинах или на Авито.
4. Работа на обычную аудио-карту, со всеми ее проблемами и шумами. Я буду экспериментировать на ноутбучной.
С такими вводными приступаем к проектированию.
Разработка принципиальной схемы коротковолнового SDR-приемника
Различных схем SDR-приемников в интернете бродит великое множество. Что называется, на любой вкус и цвет. Я постарался проанализировать разные варианты и сопоставив их со своими требованиями, обосновать применение тех или иных решений в своем приемнике. Принципиальная схема, которая получилась у меня выглядит вот так.
Не все решения пришли сразу. Часть из них возникла в ходе отладки. Но в результате получился рабочий приемник с минимальной необходимостью в наладке. Для удобства обсуждения схема разбита на 4 функциональных узла.
Узел входных цепей и смесителя. В смесителе использован ключевой принцип смешения сигналов. Четыре ключа обеспечивают квадратурное смешение сигнала гетеродина и входного сигнала. В качестве ключей обычно используют либо диоды, включенные по мостовой схеме (вместо одного ключа), либо полевые транзисторы с высокой скоростью переключения и низким сопротивлением канала, либо микросхемы с ключевыми элементами. Я остановился на последнем варианте. Чуть ниже поясню почему.
Я остановил свой выбор на 74HC4066. Она стоит в ЧИП-е около 35 рублей и судя по временным характеристикам должна устойчиво работать до 30 Мегагерц точно. Гораздо больше схем я обнаружил на ключах 74HC4052 и 4053, но по частотным характеристикам они точно уступали 4066-й. Вместо микросхемы можно было бы использовать транзисторы (4 штуки) или диоды (16 штук), но, есть один нюанс! Чтобы квадратурный детектор хорошо выполнял свои функции ключи должны обладать как можно более близкими характеристиками. Для микросхемы это требование выдержать проще, чем для дискретных элементов. Поэтому микросхема! Правда есть микросхемы и с еще лучшими характеристиками и недорого (например, SN74LVC1G3157DBVR - могут больше 100 МГц работать), но их нужно было ждать, а время не ждет. К тому же я лично хотел бы убедиться в возможностях обычных ключевых микросхем.
На ключи микросхемы сигнал подается с балансного трансформатора T1. Смеситель получается не только квадратурным, но и балансным! Во как! Преимущество балансного смесителя в том, что он успешно гасит синфазную помеху, например от мощных радиостанций, которая норовит всячески проникнуть в радиоприемник и помешать нормальному течению процессов. За счет балансного трансформатора удается эту помеху "задушить". Можно обойтись без балансного трансформатора, как это сделано, например в схеме Тэйло, но я этот вариант счел более трудоемким, поскольку он требует больше дискретных элементов с одинаковыми характеристиками. Так лучше изготовить трансформатор в 3 провода (тем более, что витков всего полтора десятка), чем скурпулезно подбирать детали.
На вход балансного трансформатора сигнал поступает с П-фильтра нижних частот с частотой среза, примерно 30 кГц. Характеристическое сопротивление фильтра (около 500 Ом) рассчитано на применение в качестве антенны как раз таких длинных проводов, гребущих все подряд помехи, как у меня. Идею такой конструкции входных цепей я позаимствовал на замечательном сайте vpayaem.ru, в конструкции приемника прямого преобразования, пересчитав номиналы элементов под свои цели. Если нужно согласовать вход с 50-омным коаксиалом, то на входе можно установить автотрансформатор так, как это сделано у автора, только с количеством витков вторичной обмотки в 2 раза большим.
Средняя точка балансного трансформатора должна быть приподнята относительно земли на половину напряжения питания. Для этого сопротивления резисторов R1 и R2 должны быть равны, но нет! Дело в том, что режим по постоянному току меняется во время работы ключей, когда параллельно R2 подключается (по постоянному току через катушку) еще входное сопротивление операционных усилителей. Поэтому в схеме указана необходимость подбора резистора R1. Лучше всего связку R1, R2 заменить подстроечным резистором на 4,7...10 кОм и подобрать режим во время работы схемы. Об этом расскажу позже. Конденсатор C3 обеспечивает стабилизацию среднего уровня. Иногда дополнительно к нему устанавливают дроссель. Необходимость такого решения предстоит выяснить.
Трансформатор T1 мотается на колечке из феррита диаметром 6...10 миллиметров магнитной проницаемостью 600...2000. Я использовал 7х4х2 2000НМ. Намотка ведется в 3 провода 0,2...0,4 мм. Для того, чтобы обмотки были одинаковыми, провода слегка свивают между собой. Рекомендуют не более 3 витков на сантиметр. Дальше покажу, как получилось у меня.
Начало и конец двух обмоток соединяют между собой. Получится вторичная обмотка. На схеме начало обмоток обозначено точками.
Дроссель L1 на 3,3 мкГн можно поставить готовый в любом подходящем исполнении.
Одинаковые резисторы и конденсаторы в каналах желательно подобрать как можно ближе по номиналу или установить детали с 1%-ным отклонением. Этого должно быть достаточно.
Узел усилителя-интегратора. Для нормального функционирования ключевого смесителя он должен быть нагружен на идеальный интегратор. Одно из свойств идеального интегратора - запоминать напряжение, величина которого пропорциональна интегралу от прошедшего через него тока за время открытия ключа. Эта величина как раз и содержит информацию о переносимом сигнале. В качестве интегратора обычно выступает емкость, образующая с сопротивлением ключа RC-цепочку. Идеальным интегратором такую цепь назвать можно лишь с натяжкой, поскольку наличие сопротивления создает токозависимый делитель напряжения. Мне очень понравилось решение с интегратором, совмещенным с усилителем низкой частоты. В этом случае интегрирующий конденсатор установлен в цепь обратной связи операционного усилителя, как на схеме. Тогда влияние сопротивления ключа, нагруженного на высокое входное сопротивление операционного усилителя будет сведено к минимуму.
Квадратурные сигналы со смесителя поступают на инвертирующие выводы операционных усилителей. Потенциал неинвертирующих выводов так же приподнимается путем подключения к делителю R1, R2.
Сопротивления R6, R7 на входах операционных усилителей выбрано для обеспечения согласования с входным фильтром через балансный трансформатор.
С выхода операционных усилителей сигнал через разделительные конденсаторы попадает на микрофонный или линейный вход звуковой карты. Микрофонный более чувствительный, но, обычно и более шумный. На моей карточке линейного нет. Сигнал подавал через микрофонный разъем. На этом разъеме присутствует напряжение для питания микрофона, поэтому, во избежание возникновения сквозных токов через выходной каскад операционного усилителя, разделительные конденсаторы обязательны!
Фазовращатель. Как было сказано выше, коммутация ключей сигналом гетеродина должна осуществляться сигналами, со смещением 90 градусов. Получить из нашего синтезатора нужный сигнал можно различными способами. Во-первых, SI5153 имеет несколько выходов, которые можно настроить на генерацию сигналов с произвольным сдвигом фазы. Но, погрузившись в эту тему я выяснил, что беспроблемно это возможно лишь в достаточно узком диапазоне. примерно от 3 до 9 Мегагерц. Чтобы работать со стабильным сдвигом фазы выше, нужно вводить адаптивные поправочные коэффициенты, а чтобы ниже - подбирать микросхемы синтезаторов! Я решил, что этот путь не для меня и решил воспользоваться самым традиционным способом получения 90-градусного сдвига фаз - счетчиком Джонсона. Для этого нужно два D-триггера и входная частота в 4 раза выше. С частотой проблем нет - наш синтезатор позволяет получить гораздо больше чем требуемые 30МГц * 4 = 120 МГц. А вот для работы с такими входными частотами тоже есть решение - сдвоенный D-триггер 74AC74 (именно AC, а не распространенный HC).
К сожалению, серия AC, это TTL-логика, которая требует пониженного напряжения питания. Хотя чем выше питание, тем выше и быстродействие логики. С этой целью было решено запитать триггеры от отдельного стабилизатора на предельное напряжение микросхемы - 6 Вольт.
Чтобы запустить счетчик от нашего синтезатора потребуется согласовать уровни их напряжений. Синтезатор выдает сигнал размахом около 3-х вольт, а для переключения триггера нужно более 4-х. Чтобы обеспечить согласование на входе счетчика установлена цепь С3, R3, R4. С ее помощью напряжение синтезатора "поднимается до нужного уровня, обеспечивая стабильную работу счетчика.
Схема питания. Я решил питать приемник от двух аккумуляторов 18650 или 18350 (потом решу), чтобы минимизировать наводки по цепям питания. Такое решение даст максимальное напряжение около 8,4 Вольта. Этого более чем достаточно для быстрой работы ключей 4066. А вот для питания триггеров этого много. Нужно не более 6 Вольт. В идеале - 6 Вольт. Для этого в схеме предусмотрен стабилизатор 78L06. Сначала я этот факт не учел и запустил схему от блока питания при напряжении 9 вольт! А потом перепаивал 74HC74! Но предвидя подобное развитие событий я спроектировал печатную плату так, чтобы можно было добавлять в схему элементы. Это же, кстати, касается и входных цепей счетчика Джонсона. Их не было в начале! Потом пришло понимание их необходимости.
Да, схема будет вполне работоспособна и с 5-вольтовым стабилизатором. Вначале я именно его и установил (78L06 под рукой не оказалось) и первые радиостанции я принял именно с ним. Но потом перепаял. Субъективно качество сигнала немного выросло. Объективно не сравнивал.
Со схемой, пожалуй все. Будут вопросы - спрашивайте в комментариях. Переходим к изготовлению.
Изготовление радиолюбительского SDR-приемника
Тут будет много иллюстраций и мало текста. Начнем с подготовки.
Вначале я решил изготовить трансформатор. Для этого отрезал три куска эмалированного провода длиной примерно в 1 метр. С одной стороны связал их узлом, а с другой привязал к крючку, который заправил в дрель.
Делал все под небольшим натяжением, чтобы длина проводков осталась одинаковой и ни один не провис. Затем с малой скоростью стал свивать провода пока не получилось 2...3 витка на сантиметр. Вначале и в конце провода свиваются плохо. Сантиметров по 15 отрезал с краев. Потом намотал 12 витков на колечко, зачистил кончики скальпелем, облудил и соединил начало одной и окончание другой обмотки. Вот так.
Ничем не заливал и не склеивал. Мотал проводом 0,2 мм. Держатся нормально, а потом припаяю и вообще не размотаются!
Печатную плату, как обычно, делал на фрезерном станочке. Её размеры 7x3 сантиметра полностью совпадают с размерами платы синтезатора. Это не случайно. Идея конструкции родилась у меня еще в ходе изготовления синтезатора.
Пока схему печатки приводить не буду, поскольку в ходе наладки был внесен ряд изменений, которые в принципиальной схеме отражены, а на плате нет. Но обещаю, что в следующем материале, который планирую посвятить совершенствованию конструкции, все выложу!
Готовая плата, покрытая сплавом Розе.
Плата изготовлена из 2-стороннего фольгированного стеклотекстолита. Вторая сторона используется, главным образом, как "земля".
С этой стороны будут расположены все разъемы. Отверстия вокруг них раззенкованы. Две контактных площадки вырезаны отдельно - это вход сигнала смесителя. Штырьки будут расположены со стороны деталей.
Несколько отверстий предназначены для электрического соединения слоев стеклотекстолита. Для этого в отверстия запаяны короткие перемычки.
С одной стороны.
Обратите внимание, что основной монтаж выполнен в середине платы, а по краям и слева и справа есть большие неиспользованные поля. Именно на них можно, если что, расположить дополнительные элементы, скажем процарапав нужные дорожки в "земле". Я это делаю ручным аккумуляторным гравером.
С другой стороны.
Четыре пустых отверстия тоже надо раззенковать. Естественно, что сделать плату без перемычек мне не удалось. Некоторые сделаны проводом со стороны элементов, а некоторые с обратной стороны, например перемычки в генераторе Джонсона пришлось делать под микросхемой, минимизировав высоту пайки, чтобы микросхема встала на место.
С другой стороны.
Полностью смонтированная схема выглядела вот так.
Обратите внимание,как много в схеме дросселей. Это все развязки по питанию, которые я заложил изначально. В дальнейшем все они были заменены перемычками, для изучения свойств "чистой" схемы. Возможно потом часть верну. Кроме того, на печатной плате предусмотрена разводка для согласующих входных цепей под 50-омный антенный коаксиал. Хотел сразу все охватить!
Перемычки выполнены проводом МГТФ. Видно угловой коннектор питания, с которого пойдет питание на синтезатор он просто подпаян в параллель с контактами внешнего питания. Кстати, теперь синтезатор питается через вход Raw на модуле Arduino, на котором стоит стабилизатор на 5 Вольт. Я про это писал в статье про синтезатор.
Плата с разъемами с обратной стороны.
Зеленые коннекторы я обычно использую для сигнальных цепей, а черные для питания. Слева - антенный вход, справа - выход на звуковую карту. Черный - внешнее питание. Именно параллельно ему с другой стороны запаян коннектор питания синтезатора.
Настало время примерки общей конструкции.
Итак, плата приемника крепится к плате синтезатора при помощи 3х пар стоек по 20 мм. Четвертую приспособить не удалось - мешает краешек платы Arduino. Хотя можно его сточить или придумать другой способ (их есть у меня). В идеале эти стойки должны быть латунными, а между ними должен разместиться отдельным слоем экран. Но это все материал для следующей статьи... У меня под рукой только нейлоновые стойки подходящего размера оказались. Их и использовал.
Кстати, отверстия на краях платы синтезатора надо чуть рассверлить. С 2,5 миллиметров до 3-х. Там остаются совсем маленькие перемычки стеклотекстолита, но это не принципиально.
Видно, что плата приемника и плата синтезатора расположены на значительном удалении для минимизации наводок. Сейчас стойки ввинчены одна в другую. Но между ними еще должен быть экран, для защиты схем от перекрестных наводок. Обо всем этом в следующей статье. Эта и так уже пухнет, а про наладку и результаты я еще ничего не сказал.
Наладка и тестирование любительского SDR-приемника
Наконец-то платы связаны между собой по сигналам и питанию и наступает момент первого включения. Для проверки работоспособности устройства и его последующего тестирования я использовал программу HDSDR. Её интерфейс выглядит следующим образом.
Вожделенная панорама участка диапазона. На шкалу частот здесь и далее внимание не обращайте. Настройка по синтезатору. Пока приемник не подключен. Можно оценить уровень собственных шумов звуковой карты. Он довольно приличный! S-метр слева показывает девятку! Конечно его нужно еще калибровать. Горб вокруг постоянной составляющей сигнала (между левой и правой полосами) характерен для большинства ширпотребовских карт. С этим придется смириться.
Дальше были два дня безудержного веселья с оживлением и настройкой приемника, о которых расскажу кратко!
Первое включение показало, что пациент мертв! Помните, я сказал, что запустил 74HC74 от 9 вольт? Ага. Вот она-то и умерла! Выяснил я это по одинаковому высокому потенциалу на всех ее выходах. Естественно, такого быть не должно даже при неработающем генераторе. Микросхема была заменена, а на плате смонтирован стабилизатор. Я потом покажу фото, во что превратилась плата в ходе наладки!
Вторая проблема - не работал счетчик Джонсона. Выяснилось, что уровень сигнала с выхода синтезатора (около 3 Вольт) не достаточен для запуска D-триггеров счетчика. На плату, перед счетчиком был добавлен делитель, а сигнал с синтезатора подан через конденсатор. И еще! Ножки R и S счетчика нужно было соединить с питанием. Оказывается, общее правило: неподключенная ножка - высокий потенциал здесь не работает! Давненько я с TTL-логигкой не сталкивался! В общем, счетчик заработал!
Третья проблема - забыл развести аж ЧЕТЫРЕ (Карл, четыре!!!) дорожки на плате. Конечно! Они ведь самые неудобные для разводки были! А времени всегда не хватает. А дел всегда много. Оставил их на потом и забыл! Вот что значит SprintLayout без EasyEDA! Прокинул нужные проводочки.
Схема ожила, зашипела, но ничего не ловит! При отключении антенны ничего не меняется! Кинул перемычку через входной фильтр и... ДА! Вот оно первое счастье! Дроссель входного фильтра оказался несправным. Даже не прозванивался! И это новый, китайский! Стал экспериментировать без фильтра. В динамиках появились знакомые шумы эфира, а частотная панорама преобразилась. Получилось даже услышать несколько радиолюбителей. Было как-то так.
Слева от центральной частоты пара радиолюбителей и справа один слабенький сигнал. Две широкие полосы по краям диапазона - это какая-то помеха от приемника. Тонкие полосы - тоже похоже на наводку. Рябь слева от центра - эфирная помеха. Разобрать ничего не смог. Сигналы слабые, теряются в шумах. Но ведь заработал! Начинаем наладку!
Был по-быстрому собран генератор на частоту кварца, который оказался под рукой. А под рукой оказался резонатор на 14,3 МГц. Пойдет. Схема типовая - емкостная трехточка.
Кстати, для конструкций на транзисторах я себе разработал макетную плату, которую и использовал. Заказал изготовление партии, теперь пользуюсь при необходимости. Очень удобная оказалась, в отличие от слепыша, хотя и менее универсальна - микросхемы не установить. Если интересно - пишите. Расскажу и выложу герберы.
Сигнал с генератора.
Сигнал на выходе генератора не совсем синусоидальный, но заморачиваться с настройкой режима работы транзистора я не стал. Сойдет так. В конце-концов гармоники уходят далеко за наш диапазон!
В общем, начал эксперименты с генератором. Подключил его через делитель ко входу приемника, настроил синтезатор на эту же частоту и стал наблюдать выход. И знаете, результат мне понравился! Синусоида была гораздо лучше входного сигнала! Так и должно быть. Приемник не должен принимать гармоники кварца!
Дальше проверил чувствительность. Осциллограф мой не позволяет оценить величину сигнала менее 50 мВ, поэтому сколько было на входе - точно не знаю. Резистор входного делителя был почти на минимуме. Но выходной сигнал, хотя и зашумленный был!
Если исходить из того, что коэффициент усиления усилителя около 50, то входной сигнал был не более 1 милливольта. А поскольку микрофонному входу примерно такой сигнал и нужен, получаем чувствительность приемника примерно 0,5 милливольт. Мало! Идем дальше! Исследуем на максимальный сигнал и проверяем второй канал. И вот тут сюрприз!
Постепенно увеличивая входной сигнал я стал подключать осциллограф поочередно к выходу левого и правого канала и вдруг заметил, что на одном из них сигнал вошел в насыщение при уровне в 400 милливольт!
Так явно не должно было быть! На другом канале все нормально. Значит рабочая точка одного канала была смещена! Но ведь смещение на каналах одинаковое (R1, R2). Меряем уровень постоянной составляющей на выходе операционников (он должен быть равен половине напряжения питания) и получаем - на одном около 3 Вольт, на другом около 7! Явно что-то не то! Кстати при дальнейшем увеличении сигнала в насыщение, только снизу, входил и второй канал. Вот тогда и пришла мысль, что смещение рабочей точки по постоянному току происходит в рабочем состоянии ключей из-за подключения к делителю входного сопротивления усилителя. Значит, надо было либо входное сопротивление увеличивать, но тогда получилась бы разбалансировка со входным контуром, либо искать точку баланса подбирая сопротивление делителей. Я пошел вторым путем. Поставил вместо R1, R2 подстроечник и отрегулировал каналы на максимальный неискаженный прием. Удалось получить размах выходного сигнала - 6 вольт, но главное точно выровнять режимы работы усилителей.
Анализ амплитуды каналов в последующем показал, что их коэффициенты усиления примерно (если на глазок, по осциллографу) равны. По этому показателю баланс достигнут. Иначе пришлось бы подбирать сопротивления в цепи обратной связи. Теперь, что с фазой?
Но прежде чем начать с фазой я все-таки заменил дроссель входного фильтра, рассчитывая все же снизить уровень высокоэнергетического шума, который притягивал мой 10-метровый кусок проволоки, а заодно заменить 5-вольтовый стабилизатор для счетчика Джонсона на 6-вольтовый. Это конечно же сделает фронты импульсов, переключающие ключи более крутыми и снизит потери преобразования в смесителе. Кроме того, я убрал все дроссели из фильтрующих цепей. Заменил перемычками. Кто их знает, что они из себя представляют. Буду потом отдельно проверять перед установкой.
В итоге плата приемника стала выглядеть вот так. Да, вот так выглядит творчество!
Видно, что дроссель входного фильтра стоит другой. Бросается в глаза подстроечный резистор для настройки баланса между каналами. Добавлено несколько перемычек. Установлен 6-вольтовый стабилизатор (площадки под него вырезал гравером). Установлены резисторы смещения на входе счетчика Джонсона. Входы S и R триггеров подтянуты к питанию.
Теперь анализ фазы. Гармонические сигналы на выходе обеих каналов у нас есть. Причем одинаковой амплитуды. Остается оценить сдвиг фаз. Двухлучевым осциллографом, как и частотомером я до сих пор не обзавелся! Да и не особо хочу. Как-то выкручивался пока. Развивает смекалку! Сделаем так - подадим чуть более мощный сигнал на вход компьютера, чтобы форма хорошо читалась, запишем его и проанализируем. Для работы со звуком я использую AudaCity. Синтезатор я установил так, чтобы гармонический сигнал на выходе был частотой около 2 кГц. Вот скриншот записи.
Четко видно, что сдвиг фазы если и не 90 градусов, то отличается минимально! Полагаю, такой вариант нас должен устроить! Но вот сейчас видно, что форма сигнала чуть искажена. Причем, это нелинейные искажения или помехи. Не сказать, чтобы большие, но наверняка общий уровень шума они поднимают.
Смотрим спектральный состав.
Максимальная гармоника вторая. Подавлена более чем на 40 Дб. На мой взгляд неплохо! Хотя хорошо настроенный квадратурный смеситель должен, по-идее четные гармоники совсем давить. Это дело попробуем поднастроить (если только все не упирается в быстродействие ключей). Больше меня беспокоит общий уровень шумов. В районе -70 Дб. Вроде бы тоже неплохо, но это если считать от уровня сильного сигнала. Такого при приеме не будет! А при слабом сигнале его влияние будет значительным. С шумами и прочими помехами нужно будет побороться. Но это тоже в следующей статье. А вот вблизи постоянной составляющей идет явный подъем. Полагаю, именно его видно на панораме спектра. Будем считать, что это несовершенство звуковой карты. Проверим приемник в режиме реального эфира.
Проверка производилась днем 22-го января 2025 года около 15 часов. Наилучшее прохождение в Рязани было на диапазоне 14 МГц. В течение часа я хорошо и разборчиво услышал радиолюбителей со следующими QTH: Нефтекамск, Буденовск (Ставропольский край), Старый Оскол, Санкт-Петербург (работал музей А.С.Попова), Новороссийск. С короткими позывными хорошо слышал клуб "Кристалл" - R7GR, а вот с позывного R4DS работал прямо совсем пацан, лет десяти - двенадцати! Слышал, кроме того, английскую и итальянскую речь, но, к сожалению, чуть менее разборчиво.
Вот пример панорамы диапазона.
Видно как минимум пять радиолюбителей с SSB-передатчиками. Самый левый и самый правый слышны были хорошо.
А вот так выглядит китайская вещательная АМ-станция примерно на 7,2 МГц.
Справа симметричный сигнал с амплитудной модуляцией и четкой несущей частотой. А вот если присмотреться, то слева виден зеркальный канал с уровнем подавления около 24 Дб. Если на него настроится, то почти ничего не слышно. Опять же для начала неплохо, но хотелось бы лучше! Значит не все в нашем приемнике хорошо! Есть возможности для улучшений, которыми мы и займемся в следующей статье. Тогда уж выложу окончательную схему, печатную плату, прошивку и результаты тестов.
Пока по своим характеристикам приемник примерно сравнялся с моим старым приемником Полякова на К174ХА2. Будем улучшать!
Да, кстати, огорчил меня энкодер - сломался! Вращается с жутким усилием, а при нажатии заклинивает. Я не так часто с энкодерами сталкивался, но вот думаю, заменить его или кнопки поставить? Что скажете, друзья? Он как-то не особо и нужен оказался!
А я пока намечаю возможности для дальнейшего улучшения: Донастроить баланс на смесителе, усилить подавление зеркального канала, снизить общий уровень шумов и искажений, повысить чувствительность, доработать печатную плату, разработать общую конструкцию... Что еще? Буду рад комментариям!
Спасибо, что читаете-смотрите Terrabyte! Подписывайтесь, если вам интересна радиолюбительская тематика, микроконтроллеры, мини-ПК, необычные компьютерные решения и инновационные разработки! Спасибо всем, кто поддерживает меня своими комментариями и лайками!
Группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Канал на VK-Video: https://vk.com/video/@terrabyte/all
Интересные самоделки:
