Друзья, привет!
Сегодняшний материал обобщает и подводит черту под серией публикаций по созданию коротковолнового радиолюбительского SDR-приемника с синтезатором частоты. Отладка и доводка схемы завершены, испытания проведены, а приемник обрел форму законченного изделия.
В нынешней публикации мы с вами разберем подробности окончательной схемы устройства, особенности его изготовления, результаты испытаний и конструкцию. Даже про антенны несколько слов скажу! И конечно-же я выложу в открытый доступ всю информацию, необходимую для изготовления устройства, а также, с удовольствием отвечу на любые вопросы, касающиеся изделия!
Для тех, кто не знаком с предыдущими публикациями я дам несколько ссылок на них. Все началось с создания синтезатора частоты на микросхеме SI5351. Синтезатор полностью собирался из недорогих готовых модулей буквально за один вечер. Изготавливая его я еще слабо представлял, что хочу получить в дальнейшем. Знал только, что хочу слушать радиолюбительский эфир и видеть при этом его панораму. А вот покупать готовое решение я не хотел! Затем мои хотелки приняли очертание несложного SDR-приемника, в основе которого лежал изготовленный синтезатор частоты. Устройство получилось и неплохо заработало (запись эфира можно послушать здесь). Однако в ходе его настройки я пересмотрел некоторые технические решения и учел опыт практической эксплуатации. Доработке, прежде всего, подвергся синтезатор частоты. Об этом рассказывалось в третьей публикации. И, наконец, сегодняшняя публикация будет посвящена созданию завершенной конструкции SDR-приемника.
Поехали!
Схемотехника SDR-приемника
Доработанная схема стала чуть более сложной, хотя, по-прежнему остается схемой простого SDR-приемника! Для удобства восприятия схема разбита на 4 функциональных узла.
Входная цепь, по сравнению с исходным вариантом немного усложнилась. Точнее, от ее упрощенного варианта, который я использовал вначале, я перешел к входной цепи оригинальной публикации. Сделал я это для того, чтобы упростить согласование смесителя приемника с 50-омным коаксиальным кабелем. Внимательный читатель спросит - зачем, ведь у меня в качестве антенны используется кусок провода. Ага, а вот и не совсем так. Я еще сделал магнитную рамку! Об этом расскажу ниже. Так вот, для нее, а также для всех читателей, которые все же имеют возможность установить антенну с кабельной запиткой, и решил чуть усложнить входные цепи, сделав их более универсальными. Основную функцию согласования коаксиала антенны со смесителем выполняет трансформатор T1. Он мотается тройным проводом диаметром 0,2...0,5 мм на ферритовом кольце проницаемостью 600...2000 с внешним диаметром 6...10 мм. Всего нужно намотать 5...8 витков. Затем на концах проводки расплетаются и конец первой обмотки соединяется с началом второй (отсюда делается отвод), а конец второй - с началом 3-й. Для более точного согласования используется подстроечный резистор PR1.
На конденсаторах C1, C2 и дросселе L1 выполнен простейший фильтр низких частот, блокирующий прохождение радиосигналов выше частоты 30 МГц. При желании этот ФНЧ можно заменить набором переключаемых полосовых фильтров, например, вот таких. Номиналы конденсаторов и индуктивностей можно использовать без коррекции.
А вообще, если хочется получить результат как можно быстрее, то можно не делать ни входных цепей, ни ФНЧ. Подключить кусок провода, вброшенного за окно к верхнему концу первичной обмотки Т2 и уже что-то услышите! Возможно даже хорошо услышите! Особенно если отключите все близлежащие источники импульсных помех (зарядки, блоки питания и т.п.).
Трансформатор T2 - балансный трансформатор смесителя. Мотается на таком же кольце и таким же строенным проводом. Содержит 10...15 витков. Конец первого провода соединяется с началом второго. Так образуется вторичная обмотка трансформатора. Точка соединения - средний отвод. Третий провод это первичная обмотка. Напомню, как это получилось у меня.
На ключах 74HC4066 выполнен квадратурный смеситель приемника. Управляющие ключами сигналы подаются с фазовращателя, обеспечивающего сдвиг фаз управляющих сигналов на 90 градусов. Для этого сигнал от синтезатора частоты подается на счетчик Джонсона, выполненный на двух D-триггерах. Здесь схема не претерпела изменений по сравнению с предыдущей версией. При питании от 6 Вольт счетчики неплохо выполняют свою задачу. Отклонение фазы от 90 градусов около 0,22 в нижней части диапазона и примерно -0,35 в верхней. Разбаланс по амплитуде составил не более 1% и не зависел от диапазона. Всё это величины, которые программа (я использую HDSDR) спокойно компенсирует.
Осталась неизменной и схема интегрирующего усилителя низкой частоты. А вот за его питание теперь отвечает цепочка L7, C11. Это все же узел, обеспечивающий основное усиление слабых сигналов, поэтому к питанию предъявляются повышенные требования. Цепочка будет не лишней.
Печатная плата SDR-приемника
Если читатели помнят, то в прошлой статье я не стал приводить схему печатной платы. Немудрено, мне пришлось ее значительно переделывать, хотя повторно я ее не изготавливал, а все изменения вносил прямо на первом варианте. Теперь же плата учитывает все изменения, которые я внес в ходе отладки. В конце статьи будет архив с платой в формате SprintLayout. А пока несколько комментариев.
Плата изготовлена из 2-стороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, хотя дорожки для SMD-монтажа есть только с одной стороны. В фольге есть несколько сквозных отверстий, в которые вставляются отрезки проволоки и пропаиваются с обеих сторон для обеспечения электрического контакта. Подробно про изготовление платы я рассказывать не буду. Об этом можно посмотреть в прошлой статье про приемник.
К сожалению без перемычек обойтись не удалось. И их довольно много. Перемычки красного цвета выполняются со стороны монтажа компонентов. Для удобства монтажа перемычек на плате предусмотрены специальные квадратные пятачки, к которым удобно подпаиваться. Только одна перемычка, которая соединяет 4 и 11 выводы микросхемы U1 устанавливается путем подпайки к выводам самой микросхемы или к ее контактным площадкам. Остальные все с пятачками!
Перемычки зеленого цвета выполняются с другой стороны платы. Для них предусмотрены специальные отверстия. Особое внимание хочу обратить на две коротких зеленых перемычки под микросхемой U2 - 74AC74 (74HC74 - не подходит по частоте). Их надо обязательно припаять до установки микросхемы. Причем высота пайки должна быть минимальной (не более 0,5 мм), а то ножки микросхемы повиснут в воздухе. Если этого условия выполнить не удалось, то рекомендую перед пайкой микросхемы залудить контактные площадки. Это позволит чуть приподнять ее.
Фильтрующие дроссели, как и дроссель входного ФНЧ можно использовать обычные, в DIP-исполнении. Индуктивность L2 и L7 может быть и выше. Кашу маслом... Хотя объективной необходимости в их увеличении нет. Индуктивность L1 желательно поставить с не более чем 5%-ным отклонением. К ее добротности особых требований не предъявляется. Можно и самостоятельно намотать. Входной разъем питания H4 и разъем питания синтезатора припаиваются на плате параллельно к одним и тем же контактам (обозначены + и -) но с разных сторон платы.
Все же приведу для понимания общей компоновки фото из предыдущей статьи. Хотя это только первая версия монтажа, без исправлений.
Под контактами отверстия рассверлены во избежание контакта с землей. А вокруг контактов синтезатора частоты фольга снята. Вот так.
Можно сделать ручным гравером или аккуратно процарапать острым ножом или, в крайнем случае, шилом по уголку с ограничителем. Для тех, кто решит повторять я все же рекомендую заглянуть в прошлую статью. Здесь много подробностей приводить не буду.
Конструкция приемника
Полагаю, что читатели, которые следят за развитием темы, уже примерно догадались, какой принцип компоновки я хотел использовать. Да, это этажерка. Помните, как я соединил между собой платы синтезатора и приемника?
Я соединил их при помощи нейлоновых стоек. Латунных под рукой тогда не оказалось. Теперь же я решил дальше развивать эту тему. Уж очень удачной она мне показалась. Но, стойки заменим на латунные, чтобы они естественным образом передавали потенциал земли, а между платами синтезатора и приемника установим простейший экран, вырезанный из того же стеклотекстолита. Вот такой.
Чертежи платы экрана тоже будут в архиве. Кроме того, в концепцию этажерки нужно уложить еще и переднюю панель и источник питания и заднюю панель. Для всего этого добра задействуем на полную катушку аддитивные технологии. Вот набор деталей, которые были изготовлены на 3D-принтере.
Слева - слой элементов питания с держателями под два аккумулятора типоразмера 18350 (можно использовать от отработанных вейпов). Держатели напечатаны отдельно, поскольку имеют другую ориентацию слоев и прикручены к перегородке винтами M3. В середине - технологическая перегородка, а справа - задняя панель, на которую выведены аудиоразъем, разъем антенны (BNC), выключатель питания и разъем для подключения зарядного устройства. Разумеется все модели тоже будут в архиве.
Ну и конечно передняя панель, которая заточена под интерфейс синтезатора с кнопками.
Панель на стоечках, высота которых зависит от высоты монтажа экрана.
Для облегчения сборки я решил использовать аккумуляторы с приваренными контактами. В случае использования аккумуляторов от вейпов с этим проблем нет. А вот если использовать обычные, то оказалось, что их цена из-за этих контактов вырастает в 2 раза! У меня под рукой оказались только бесконтактные и я, недолго думая, решил контакты припаять самостоятельно! Оборудования для сварки у меня тоже нет. Не так часто я этим занимаюсь! В общем, получилось так.
Контакты длиной около 30 миллиметров и шириной около 5 мм выполнены из медной фольги толщиной 50 мкм. Предварительно пятачки на аккумуляторах облудил используя массивное ножевое жало. Оно позволяет паять быстро не перегревая аккумуляторы. Полоски медной фольги тоже предварительно облужены. Потом достаточно их приложить к точке пайки и в течение пары секунд прогреть паяльником. Аккумуляторы китайские, с Али, на 900 мАч, уже послужившие верой и правдой.
Да, надеюсь всем понятна логика именно автономного питания. Это делается для снижения уровня внутренних помех от различного рода шим-регуляторов.
Ну а теперь сборка. Я не буду растягивать удовольствие. Приведу сразу окончательно скомпонованное изделие.
Надеюсь, что из этого фото будет понятна как общая идея компоновки, так и подробности. Латунных стоек 20 мм мне не хватило, поэтому частично использованы нейлоновые. Но, есть определенные соображения, которые все же отдают пальму первенства именно латунным. О них чуть позже.
Все стойки типа мама-папа. Установлены резьбой влево, отверстием вправо. Но, обратите внимание, последний ряд стоек (слева) имеет тип мама-мама. Почему, тоже станет ясно чуть позже. Провода между секциями уложены в специальные пазы. Прямо на аккумуляторах смонтирована плата заряда-разряда (BMS - battery management system), которая защищает их как от переразряда, так и от перезаряда.
Вид с обратной стороны.
Антенный провод - витая пара. Эта вольность, которую я позволил себе на период испытаний. У меня все равно в качестве антенны провод, поэтому на этом отрезке кабель выигрыша не дал бы.
Еще несколько фотографий с разных ракурсов.
Передняя панель крепится винтами M3x16 мм.
Чуть крупнее отсек питания.
И синтезатор с приемником.
Заметьте, между синтезатором и экраном одной стойки нет. Я говорил уже, что плата Arduino мешает. Но это не принципиально.
Да-да, знаю, многие скажут винты грубо смотрятся и все портят. Можно было бы заморочиться и сделать впотай, но я считаю, что для простого приемника должны быть простые решения.
Теперь, собственно сам корпус. Он тоже напечатан и тоже, как вы уже поняли, из желтого пластика. А я после того, как игровую консольку сделал, катушку даже не менял! А желтый мне нравится! Как солнышко, которого последнее время так не хватает! Толщина стенок - 2 мм. Люблю, чтобы прочно было! Так-то и 1,5 хватило-бы.
Самое время ответить на немой вопрос особо въедливых читателей. Почему корпус не из металла. И даже не экранирован. Спешу успокоить самых бдительных. Особой необходимости в этом нет. Ведь зачем делают экран. Защитить чувствительные схемы от помех и оградить настраиваемые цепи от расстройки под воздействием внешних факторов. Так вот, настраиваемых цепей в схеме нет! Ну разве что входной ФНЧ. Но в него достаточно пальцем не тыкать и все будет в порядке. Я проверял! А помехи... Основная помеха у меня приходит через антенну, которая представляет обычный кусок провода. Тут хоть экранируй, хоть нет. Тем не менее, возможность для этого есть. Даже две возможности. Первая - корпус изнутри обклеить обычной пищевой фольгой, а к стойкам прикрутить небольшие ламели для обеспечения контакта. Помните? Стойки латунные! Более того, корпус сделан на 0,5 мм с каждой стороны больше чем это необходимо! Именно для этих целей. Вторая возможность (я так и собираюсь когда-нибудь в будущем сделать), если экранировать только приемную часть, нужно припаять бортики высотой примерно 22 мм к экранирующей прокладке из фольгированного стеклотекстолита. Их можно сделать из, например, жести или медной фольги. Но делать все это имеет смысл только если у вас антенна снаружи помещения. Тогда, чтобы убрать помехи по-максимуму, нужно и экран делать, и подводку к антенному разъему делать кабелем.
Вставляем начинку внутрь.
С задней стороны корпуса есть упоры, к которым конструкция будет крепиться при помощи винтов M3x10 или M3x12 мм.
Давайте теперь рассмотрим законченное изделие. Итак, вид сзади.
Вся этажерка крепится сзади четырьмя винтами. Конструкция не болтается внутри, поскольку у передней панели есть бортики, плотно прилегающие к краям корпуса изнутри. В последней секции можно было бы использовать и стойки типа мама-папа, но тогда сзади пришлось бы крепить этажерку гайками. Во-первых, это не так эстетично, а во-вторых, нужны длинные резьбовые окончания у стоек (хотя бы 6 мм). Обычно 5 мм. Этого не хватает для нормальной фиксации при помощи гайки.
Кстати, стойки должны быть туго завинчены друг в друга, а вот задние винты, напротив, туго затягивать не стоит. причем перед завинчиванием их лучше смазать синтетической смазкой, чтобы при откручивании не начали отвинчиваться сами стойки.
Винты, конечно немного портят эстетику, но не настолько чтобы вызывать отвращение.
Вес конструкции составляет примерно 230 грамм. Тяжеленький! Это, в основном, из-за аккумуляторов.
Кстати, пока речь зашла об аккумуляторах. Потребляемый приемником ток составляет 80...90 миллиампер. Установленных мною аккумуляторов на 900 мАч хватает на 8 с лишним часов работы. Аккумуляторы, напомню, не новые. Заряжается устройство от стандартной зарядки на 8,4 Вольта. Время заряда полностью разряженных батарей - 45 минут. Можно продлить срок работы уменьшив яркость экрана. Это можно сделать программно, установив уровень ШИМ экрана на минимум. Сэкономить можно до 15 мА. Это даст еще час работы. А вообще, если использовать свежие аккумуляторы, да еще и на, скажем 1200 мАч, то время работы можно довести и до 12...13 часов. Только нужно ли?
Габаритные размеры приемника - 80x40x125 мм. Эдакий приятный кирпичик. Ножки я делать не стал. При необходимости можно купить прорезиненные или силиконовые и приклеить снизу.
Особенности работы. Испытания
В целом, я уже рассказывал о результатах испытаний в предыдущей статье. С тех пор мне удалось улучшить отношение сигнал/шум приемника. Во-первых, это сделано за счет установки дополнительных фильтрующих элементов (дросселей и конденсаторов), во-вторых за счет лучшего экранирования платы синтезатора, а в-третьих за счет доработки дисплея синтезатора (смотри прошлую статью про синтезатор). Общий выигрыш в отношении сигнал/шум составил 5...6 дБ. SDR-приемник далеко обошел по чувствительности мой старенький приемник прямого преобразования на К174ХА2, а уж по удобству наблюдения...
Приемник был проверен на всех основных радиолюбительских диапазонах: 1,8 - 3,5 - 7 - 14 - 21 - 28 МГц. На всех диапазонах были слышны радиолюбительские станции. Вещательные станции с АМ также принимаются хорошо. Не УКВ, конечно, но слушать вполне можно. Даже музыкой наслаждаться получается! Китайская бывает такая мелодичная! Хотя изменение прохождения иногда мешает.
Одна любопытная деталь - на нижнем диапазоне (1,8 МГц) почему-то инвертируются каналы. В общем, не большая проблема. Нужно просто галочку в меню щелкнуть, но объяснения я пока не нашел.
Вот как теперь выглядит панорама типичного вечера на 14 Мегагерцах.
Почти все сигналы, видимые на панораме разборчивы. И это на кусок провода в 10 метров! Я о таком раньше и нге мечтал! Правда была одна очень интересная находка.
Если помните, то все началось с того, что как-то раз вытащив свой старый приемник с желанием послушать эфир я обнаружил, что не могу ничего поймать ни на 7 ни на 14 Мегагерцах. Кроме, разумеется, сильных помех. Так вот, я понял почему это произошло! Посмотрите на следующее фото.
Знакомая вещь? Это сетевой разветвитель с поддержкой трех портов USB. Это самый страшный враг радиолюбителя! Посмотрите, как менялась панорама с его включением.
Вверху панорамы - разветвитель включен. Внизу - выключен. Заметьте какие он дает мощные помехи в центре и по краям. Увеличивается примерно на 10...15 дБ и общий уровень шумов. При его выключении сильный сигнал (слева) стал еще сильнее, а слабые (справа) стало возможно четко слышать! Появился сигнал и под правым огненным шлейфом! Даже блок питания ноутбука не дает такой мощной помехи. Хотя при питании ноутбука от батарей у меня получался самый чистый эфир. Значит, так и буду слушать! Правда надо аккумулятор новый купить! Старого только на полчаса хватает!
Так вот я только сейчас понял, почему мой приемник Полякова на 174ХА2 стал плохо ловить,- я этот разветвитель купил!
Еще качество приема ухудшают: настольная светодиодная лампа, включенный паяльник, светодиодные потолочные светильники, блоки питания, зарядные устройства и т.п. Сам ноутбук и тот наверняка ухудшает!
Итак, приемник отлажен, хорошо работает - самое время экспериментировать. Во процессе изготовления я перелопатил довольно много профильных материалов, посвященных различным аспектам радиолюбительского приема. Так вот, нашел я, в числе прочих, утверждение, что магнитные антенны менее подвержены шумам, чем электрические. В общем, решил попробовать собрать. У меня получилась вот такая конструкция.
Антенна выполнена из 6-миллиметрового алюминиевого провода в оплетке. Нашел у отца в гараже! Папа, спасибо! Вообще, у людей советской закалки много чего можно в гаражах найти! Алюминий для основания корпуса приемника на 174ХА2 я тоже у отца выпросил!
Диаметр круга - около 120 мм. Сверху, на небольшой платке приделан конденсатор переменной емкости от карманного приемника "Юность-КП101". Может кто помнит такой набор? КПЕ на 180 пФ был снабжен напечатанной ручкой для удобства регулировки. Снизу - петля согласования. Кабель 75-омный (какой был). И вся эта конструкция установлена на штативе от фотоаппарата.
Антенна резонансная. Это значит, что для использования в заданном участке диапазона ее нужно точно настроить. А участок резонанса довольно узкий. 50...60 кГц. Но зато на этом участке ее чувствительность вполне сопоставима с 10-метровым куском провода! А бывает и лучше! Главное, на счет помех,- все верно! Помех меньше! Особенно, если подобрать ориентацию. Нет, она также чувствует этот клятый разветвитель и разные телефонные зарядки, но, если правильно разместить, то гораздо меньше. Хватает ее не на все диапазоны. Хорошо настраивается на 7, 14 и 21 МГц. На 28 МГц вроде бы подходит к резонансу, но конденсатор заканчивается. Антенного измерителя у меня нет, поэтому для оценки характеристик расчетным путем настроил приемник с антенной на 7 МГц и замерил емкость. Получилось - 128 пФ. Посчитал индуктивность - 4,04 мкГн. С такой индуктивностью для 3,5 МГц нужна емкость 512 пФ, а для 28 МГц - 8 пФ. Или антенну больше/меньше делать. Кстати, на нижние диапазоны можно многовитковую рамку попробовать, чтобы размер не увеличивать.
А еще с магнитной рамкой появилась определенная мобильность. Дело в том, что окна моей "лаборатории" выходят на юг. Я очень хорошо слышу Ставрополье, Кавказ, Донецк, Крым. Принимаю Израиль (оттуда, бывает, по русски работают), Кипр, Италию. Иногда слышу арабскую речь. А вот запад мне был почти недоступен. Даже север (СПб) иногда проходит, а европейские страны - нет. Так вот, с магнитной антенной я иду с ноутбуком в комнату к ребенку. А у нее окна выходят на запад, и мне уже несколько раз удалось расслышать испанские позывные, немецкую и французскую речь. Английскую само-собой - на английском везде работают. Так что рекомендую! Антенна стоящая. Правда настраивать тяжело. Неплохо бы параллельно основному КПЕ подключить, для тонкой настройки, подстроечный с небольшой емкостью (пикофарад 10...20).
Наконец-то послушал дальнобойщиков! Правда мата много бывает... А так, интересно ведь узнать, что на повороте на нефтебазу бензин по 50 рублей в неограниченном количестве! Это бензоколонка и передает в эфир!
Очень порадовал прием на 28 МГц. Эфир чистый! При хорошем прохождении южных европейцев (типа Италии) слышно очень хорошо. Или, скажем, Узбекистан. А это около 3000 километров! А вот нижние диапазоны сильно зашумлены. Да и антенна моя явно не для них. Я как-нибудь проведу эксперимент по приему за городом. Возьму провода побольше и на опушку леса... Романтика!
Резюмируя - приемник получился классный! Для меня как неспециалиста в области коротковолновой связи это было неожиданно! Теперь, даже со встроенной звуковой картой я получил новое качество звучания эфира! В городе! Радовался как ребенок, услышавший позывные "Маяка" в своем первом детекторном приемнике! А вы говорите купить! Не-е-е. Это не наш путь!
Файлы проекта (схема, чертежи печатных плат, 3D-модели) доступны для скачивания здесь. Нужны будут пояснения - спрашивайте!
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
