Друзья, привет!
Я как-то упоминал, что недавно оказался вовлечен в разработку конструкции походного 3-диапазонного телеграфного трансивера. Моя основная задача - создание компактного синтезатора. С задачей этой я уже, можно сказать, закончил. Забегая вперед, и строго по секрету, вот такая получилась конструкция (крепление на переднюю панель):
Есть даже встроенный электронный ключ... Но, об этом как-нибудь позже. Пока же начинаем проработку схемотехники. За основу было решено взять хорошо известную схему трансивера PFR3A. Это супергетеродин с одним преобразованием и кварцевым фильтром, который обеспечивает основную селекцию сигнала. Никакого опыта в изготовлении и настройки кварцевых фильтров у меня нет, поэтому, пока мои друзья заняты проработкой схемотехнических решений, я решил сделать то, что мне казалось самым трудным - изготовить кварцевый фильтр для будущего трансивера.
Кварцевый фильтр у оригинального PFR3 имеет вот такую схемотехнику:
Стандартная схема лестничного фильтра. Вроде ничего сложного! Начнем с закупки кварцев.
Подбор кварцевых резонаторов
Кварцы я решил поискать в Чип-Дип-е. И знаете, сразу нашел! Кварцы-лодочки. Причем именно такой частоты 4,9152 МГц, как в исходной схеме, а главное - недорого. По 11 рублей за штуку.
Вот только купить меньше 15 штук нельзя. Но это даже неплохо. Во-первых, больше кварцев - можно их лучше подобрать. В идеале все кварцы должны быть на одну частоту. В реальности же, нежелательно, чтобы разброс превышал несколько десятков Герц. Чем меньше, тем лучше. Во-вторых, сразу можно снабдить кварцами не только себя, но и моих товарищей по проектной группе! В общем, заказал 15 штук за 165 рублей. Вот такая россыпь пришла:
По справочным данным нам обещано, что разброс значений частоты резонанса не превысит 20 ppm. Это значит не более 20 Гц на 1 Мегагерц частоты. Но, поскольку частота кварца у нас близка к 5 МГц, то отклонение может достигать 100 Гц. Причем, если я правильно понимаю, как в плюс, так и в минус! А это значит в нашей куче кварцев возможны экземпляры с разницей частот в 200 Гц.
Маркировка кварцев вблизи:
Теперь полученные кварцы нужно оценить на предмет резонансной частоты и добротности. Оценивать будем при помощи нашей палочки-выручалочки - NanoVNA. Что бы мы без нее делали! Для облегчения задачи я решил собрать небольшой испытательный стенд.
Собственно, стенд, это громко сказано. Просто винтовой разъем с пружинными контактами, к которому припаяны короткие проводки со штырьками на концах, чтобы конструкция лучше держалась в разъемах NanoVNA. Винты я немного ослабил, чтобы кварц входил с небольшим усилием. А вот так наш стенд выглядит будучи подключенным к NanoVNA с установленным кварцевым резонатором:
Начинаем измерения. Прежде всего, посмотрим общую частотную характеристику. Выглядит она для произвольного кварца из выборки вот так:
Все как и положено. Два резонанса. Последовательный (метка 1) и паразитный параллельный (метка два). Это нормально. Однако, при таком масштабе точно определить частоту резонанса не представляется возможным. Увеличиваем масштаб в области последовательного резонанса до 1 кГц.
Это тоже еще слишком грубый масштаб. Уменьшаем шкалу до 400 Гц.
Вот теперь нормально! Приемлемая точность в несколько герц достигнута. Дальше уже будет ловля блох...
Из графика видно, что резонансная частота кварца составляет 4.914576 МГц. Вот так вот! Разница с номиналом почти 500 Гц. Ну да это не принципиально, если у остальных будет тоже разброс в эту сторону. Кроме того, видно, что затухание на резонансной частоте составляет 1,04 дБ. Немного! Кварц довольно добротный. Зафиксируем эти данные на импровизированной наклейке из изоленты и повторим эксперимент еще 14 раз для всех кварцев. Вот что у меня получилось:
На фото видно, что кварцы я разложил на три группы по 4 кварца с близкими характеристиками. Разброс не более 50 Гц. Ну ладно, 52 Гц для правой группы. Совсем справа лежат три кварца, которые не вписались по частоте или затуханию. Итого - неплохо! Потенциально можно изготовить три кварцевых фильтра. Сообразить на троих, так сказать! Нас как раз три человека участвует в разработке. Достанется всем!
Эксперименты с кварцевым фильтром
Для моделирования фильтра кроме кварцев нужны конденсаторы. Пять штук по 100 пФ. Именно такие использованы в оригинальной схеме. Но 100-пикофарадных в DIP-исполнении у меня оказалось лишь 2 штуки. Зато нашлись три штуки емкостью 120 пФ. Решил использовать их. Сотки установил на место C2 и С4, а остальные - 120. Для макетирования использовал ту же монтажную плату что и раньше использовал для анализа эллиптического фильтра.
Конденсаторы SMD-формата я решил не использовать, хотя эти на 100 пФ у меня были! Оказалось, что в дешевые китайские наборы этих конденсаторов суют всякую гадость. О связанном с этим большом разочаровании я вскоре расскажу.
Макет, подключенный к NanoVNA:
Хочу обратить особое внимание - прибор откалиброван на заданный частотный диапазон с использованием шнуров-удлинителей. Частотная характеристика вблизи:
Давайте попробуем проанализировать увиденное. Прежде всего, можно сказать, что фильтр, в принципе, работает. Полоса пропускания около 300 Гц. Полоса пропускания по уровню 40 дБ - примерно 1200 Гц. Обращает на себя внимание очень неравномерная характеристика в области полосы пропускания. Провал примерно в 13 дБ прямо в середине рабочей области. Это, разумеется нехорошо. Кроме того, слишком большое затухание в полосе пропускания - более 7 дБ. С чем могут быть связаны эти негативные проявления? Вероятнее всего причин две. Во-первых, несогласованность характеристического сопротивления фильтра и импеданса NanoVNA. Во-вторых, неточный подбор емкостей из-за которых резонансы кварцев "разъехались" в стороны.
Поскольку хороших емкостей у меня под рукой не было (уже заказал) я решил заняться согласованием входа и выхода. Для этого нужно рассчитать входное-выходное сопротивление нашего фильтра. В сети широко известна упрощенная формула для оценки импеданса лестничного кварцевого фильтра:
R = 0,613 x 10^6 / (2 * Pi * F * C).
При C = 100 пФ сопротивление получается около 200 Ом. А входное-выходное сопротивление нашего векторного анализатора всего лишь 50 Ом. Естественно, никакого согласования нет, а получившийся график годен лишь для общей оценки работоспособности. Значит будем согласовывать импедансы. Итак, нам нужно привести импеданс фильтра (200 Ом) к сопротивлению NanoVNA (50 Ом). То есть нужна трансформация сопротивлений 1 к 4-м. Для этого можно, например, использовать широкополосный автотрансформатор с соотношением обмоток 1:2, который следует установить как по входу, так и по выходу.
Для изготовления ШПТЛ (широкополосный трансформатор) берем два провода (у меня под рукой был 0,4 мм) и свиваем их между собой при помощи дрели так, чтобы получилось около 3-х витков на сантиметр. Затем берем любое ферритовое кольцо диаметром миллиметров 10, с проницаемостью 400...2000 и наматываем витков 10. Конец одной обмотки соединяем с началом другой. Я использовал зеленые китайские сердечники, коих я в свое время заказал в достатке. Вот результат:
Подключаем входной и выходной разъемы через трансформаторы.
На фото не видно, но нижний ряд отверстий сидит на земляном проводе, который соединяет разъемы между собой. То есть крайние концы обмоток трансформатора соединены с землей и входом/выходом фильтра, а средние идут на разъемы. Это если по фотографиям не видно. А вообще, если что-то непонятно из моего изложения, не стесняйтесь спрашивать в комментариях!
Теперь вновь подключаем анализатор.
Ну! Вы только гляньте на эту красоту! АЧХ в своей максимальной точке доходит до -0,5 дБ. То есть, можно считать, что потерь почти нет. Провалов в АЧХ теперь тоже не наблюдается. Да и спады характеристики стали более гладкими. Вот что согласование животворящее делает! Еще бы плато более ровным сделать!
Я показал эту характеристику своим партнерам по разработке и они предложили провести еще один эксперимент. Что, если повысить импеданс на выходе фильтра? То есть импеданс приемного устройства NanoVNA. Тогда, теоретически, за счет трансформации сопротивления к более высокому уровню можно увеличить коэффициент передачи и дополнительно сгладить неравномерность плато. Я посмотрел оригинальную схему трансивера PFR3 и обнаружил, что фильтр по выходу зашунтирован сопротивлением 470 Ом.
Для проведения этого эксперимента я изготовил еще один ШПТЛ. Уже из 3-х свитых между собой проводов.
Такой ШПТЛ дает коэффициент трансформации сопротивлений 1 к 9-ти. Если установить его на выходе фильтра, то он как-бы повысит входное сопротивление для фильтра в 9 раз. То есть 50 x 9 = 450 Ом. Почти как в оригинальной схеме! Заменяем выходной трансформатор.
И вновь смотрим АЧХ на векторном анализаторе.
Видно, что АЧХ на плато стала еще более ровной, хотя коэффициент усиления стал не выше, а даже немного ниже. Примерно на 1 дБ. Сейчас фильтр работает в условиях, которые, как я полагаю, максимально приближены к тем, что будут в оригинальной схеме. И показывает, на мой взгляд, неплохие характеристики. Улучшить еще? Можно. Но для этого нужен более точный подбор конденсаторов. Да и кварцы, может быть нужно поменять местами... Но пусть это будет совсем другая история...
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 советами, комментариями и лайками!
Группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Канал на VK-Video: https://vk.com/video/@terrabyte/all