АЗБУКА УКВ-АППАРАТУРЫ

Часть 1. Блоки УКВ аппаратов

Статья 5. Генераторы для УКВ аппаратуры.

(Продолжение)

Кварцевый генератор с изменением частоты.

В этом разделе я хочу рассказать о том, как можно выполнить стабилизированный кварцевым резонатором генератор с плавным изменением частоты. Подобные генераторы стали применяться радиолюбителями с 70-х годов прошлого столетия, но достаточно подробного описания методов построения и настройки подобных генераторов я нигде в любительской литературе не встречал. Ниже мною будут приведено описание экспериментов с одним из вариантов подобного генератора, затем будут даны рекомендации по разработке кварцевого генератора с плавным изменением частоты.

Экспериментальный генератор.

Чтобы выявить роль и влияние катушки индуктивности в процессе плавного изменения генерируемых кварцевым генератором частот, мною был построен небольшой стенд, основу которого представлял экспериментальный кварцевый генератор (КГ).

 Генератор выполнен по схеме емкостной трехточки. Его схема показана на рис. 5.13.

 Генератор не имеет каких либо особенностей.

Транзистор VT1 выполняет функцию собственно генератора, генерируемая частота которого стабилизирована кварцем Z1, а каскад на VT2 является эмиттерным повторителем, служащим для уменьшения влияний цепи измерительного прибора А1 на частоту генератора. Катушка индуктивности L1 и конденсатор С1 служат для изменения частоты генерируемых электромагнитных колебаний. Питается генератор от стабилизированного источника напряжения +9 Вольт   Конденсатор С1 имеет емкость 75 пФ, катушка L1 состоит из 45 витков провода ПЭЛ-0,3, намотана на каркасе диаметром 9 мм, между щечками с расстоянием 5 мм. Катушка имеет подстроечный сердечник серого цвета (по-видимому из альсифера) с резьбой Мб х 0,75. Число витков катушки L1 выбрано по результатам проведенных ранее других подобных экспериментов.

 В схеме использовался кварц А523 (7,692 МГц) от старинной УКВ радиостанции РСИУ, корпус которого представляет собой пластмассовый цилиндр коричневого цвета, диаметром 20 мм и длиной 40 мм с двумя выводами от кварцевой пластины.

  Все остальные радиодетали каких либо особенностей не имеют, обычный «ширпотреб». В качестве прибора для измерения излучаемой генератором частоты использовался связной коротковолновый радиоприемник Р-250М.

 Контроль за наличием излучаемых генератором электромагнитных колебаний осуществлялся вольтметром переменного тока А1.

  Рассмотрим подробно процесс проведения эксперимента.

• Сначала следует убедиться в работоспособности генератора. Для этого нижний по схеме вывод от кварца подключаем непосредственно к земле, включаем питание и по приемнику находим излучаемый генератором сигнал. При этом радиоприемник должен находиться в режиме приема телеграфных сигналов, чтобы можно было наиболее точно настраиваться на частоту излучаемых колебаний по нулевым биениям. Нулевые биения соответствуют такой настройке приемника, когда на его выходе никаких звуковых сигналов не прослушивается, но стоит только хотябы немного повернуть ручку настройки приемника в ту или иную сторону, то тут же на выходе приемника появляется гармонический звуковой сигнал. Вольтметр А1 должен показывать какую-то величину, подтверждающую излучение генератором электромагнитной энергии, т.е. подтверждающую работу генератора. Записываем величину излучаемой частоты.

* Восстанавливаем подключение катушки L1 к нижнему выводу кварца- При этом подстроечный сердечник должен быть полностью выведен из катушки, т.е. катушка должна иметь минимально возможную для нее величину индуктивности. Включаем питание. При этом вольтметр А1 должен сразу же подтвердить работу генератора. Частота излучаемых генератором колебаний при этом включении несколько (незначительно) должна измениться по сравнению с предыдущим включением. Настраиваем радиоприемник на новую частоту по нулевым биениям, записываем величину этой частоты и присваиваем ей номер 1. Вводим в корпус катушки подстроечный сердечник. Делать это следует очень осторожно и медленно, чтобы не пропустить момент возникновения на выходе радиоприемника гармонического звукового сигнала, подтверждающего факт начала влияния сердечника на индуктивность катушки. Как только появится сигнал, следует повернуть сердечник в обратную сторону, до момента отсутствия сигнала.

• Далее начинается основной этап проведения эксперимента. Для этого вводим подстроенный сердечник в катушку ровно на один оборот сердечника. При этом изменится индуктивность катушки, что повлечет за собой изменение частоты излучаемых генератором колебаний. Записываем новую величину частоты под номером 2.

• Вводим подстроечный сердечник в катушку еще ровно на один оборот и записываем новую величину частоты под номером 3.

• Точно таким же образом вводим сердечник в катушку еще на один оборот и записываем новую величину частоты под следующим порядковым номером. Такую процедуру следует проводить несколько раз. При этом

постоянно необходимо контролировать наличие показаний вольтметра А1. Если стрелка вольтметра упала до нуля, значит, генератор перестал работать и эксперимент считаем законченным.

  В моем случае удалось до прекращения генерации ввести сердечник внутрь катушки на 10 оборотов. Результаты проведенного эксперимента приведены в таб. S.2.

  Каждое из полученных значений частоты соответствует определенной величине индуктивности катушки, заданной положением подстроенного сердечника, и определенной величине емкости конденсатора С1.

Если вместо конденсатора постоянной емкости 75 пФ установить переменный конденсатор 4 ...75 пФ, то при минимальной емкости этого конденсатора (4 пФ) вырабатываемая генератором частота будет равна максимально возможной частоте, т.е. очень близкой к частоте в шаге 1 (7,962 МГц для данного случая). При максимальной емкости переменного конденсатора (75 пФ) частота генерируемых колебаний будет опреде-

ляться положением лодстроечного сердечника внутри катушки. Например, если индуктивность катушки соответствует положению шага 5, то при максимальной емкости переменного конденсатора генерируемые колебания будут иметь частоту 7,957 МГц. При изменении емкости переменного конденсатора от минимума (4 пФ) до максимума (75 пФ) частота генерируемых кварцевым генератором колебаний будет плавно изменяться от 7,962 до 7,957 МГц, т.е. диапазон изменения частоты будет составлять 7,962 - 7,957 = 0,005 МГц = 5 кГц.

   Максимально возможный диапазон перестройки частоты для данного кварца будет иметь место при максимально допустимой индуктивности катушки L1. в данном случае максимально допустимая индуктивность получается в шаге 10. При этом максимально возможный диапазон перестройки частоты получается 7,961 - 7,771 = 0,090 МГц = 90 кГц. Это довольно большой диапазон перестройки, но следует помнить, что с увеличением диапазона перестройки ухудшается стабильность частоты кварцевого генератора. В каждом отдельном случае нужно находить какуюто оптимальную величину диапазона перестройки исходя из допустимой для создаваемого аппарата стабильности частоты.

   Как правило, радиолюбитель использует только какой-то узкий диапазон частот. Например, любитель дальних связей телеграфом постоянно работает только на DX-участке диапазона, владелец пакетной радиостанции станции, работающей постоянно в составе любительской пакетной сети, использует практически одну фиксированную частоту. Если учесть, что коротковолновый любительский диапазон имеет

ширину 100 кГц, то иметь исключительно простой в изготовлении и наладке кварцевый генератор с плавным изменением частоты в пределах 50 кГц это находка для радиолюбителя, не желающего возиться со сложнейшими схемами синтезаторов частоты.

   Большие возможности имеет принцип плавного изменения частоты кварцевых генераторов при построении УКВ гетеродинов. Дело в том, что в этих гетеродинах используются каскады умножения частоты. При этом диапазон перестройки частоты при переходе от одного каскада к другому увеличивается пропорционально увеличению частоты. Например, после удвоения частоты диапазон перестройки увеличивается в два раза, после утроения частоты - в три раза и т.д..

   Как еще больше расширить диапазон перестройки КГ?

 Дальнейшее расширение диапазона плавной перестройки частоты кварцевого генератора можно получить путем подключения параллельно кварцу Z1 еще нескольких аналогичных кварцев. Один из вариантов построенного по этому принципу генератора описан В. Артеменко (UT5UDJ) в статье «ГПД на основе перестраиваемого кварцевого генератора», опубликованной в журнале «Радиомир. KB и УКВ» №3 за 2003 год.

   Мною проведен ряд экспериментов, в которых использовалось параллельное подключение нескольких кварцев. При этом использовалась экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 5.13. 

   Изменения коснулись только цепочки, состоящей из Z1, L1 и С1. Новый вариант этой цепочки представлен на рис. 5.14. Здесь показано, что параллельно кварцу Z1 могут быть подключены точно такие же по номиналу кварцы (Zla, Z16 и Z1 в), изготовленные одним и тем же предприятием. Катушка L1 должна быть подобрана именно для примененного в данный момент кварца Z1. К нижнему по схеме выводу катушки L1 подсоединены четыре конденсатора постоянной емкости (С1а, С1б и С1в), которые переключателем S1 могут поочередно подключаться на землю. Это как бы своеобразный имитатор конденсатора переменной емкости, созданный из элементов с фиксированной емкостью.

   Продолжим далее описанный выше эксперимент с целью определить влияние числа подключенных параллельно одинаковых кварцев на ширину диапазона плавной перестройки кварцевого генератора.

Мною было проведено много экспериментов с различными кварцами. Не все кварцы «с распростертыми объятиями» принимали подключаемого к нему соседа, но большинство из них прилично работали с одним или двумя параллельными кварцами. Лучше других допускали параллельное подключение высокочастотные кварцы (13,5. .22,5 МГц), конструктивно выполненные в малогабаритных металлических корпусах. Кварцы от радиостанции РСИУ (в цилиндрических карболитовых корпусах) работали не более чем с двумя параллельно подключенными такими же кварцами. Высокочастотные кварцы в малогабаритных металлических корпусах хорошо работали даже с тремя параллельно подключенными кварцами, но при этом тон биений становился дребезжащим и ухудшалась стабильность генерируемой частоты.

   На рис. 5.15 приведены графические зависимости частоты генерируемых колебаний от количества подключенных параллельно одинаковых кварцевых резонаторов на частоту 22,5 МГц. Кривая 1 получена при единственном кварце, кривая 2 - при двух параллельно подключенных кварцах, кривая 3 - при трех кварцах и кривая 4 - при четырех кварцах.

   Ширина диапазона генерируемых частот при четырех подключенных кварцах впечатляет, но сигнал становится дребезжащим и стабильность резко ухудшается. Однако в некоторых случаях подобными явлениями можно пренебречь, уделив побольше внимания жесткости конструкции генератора, жесткому креплению самого кварца и катушки L1.

Рекомендации по разработке генератора.

   При создании нового генератора первым делом следует убедиться в работоспособности кварца. При этом следует помнить, что кварцы одного и того же номинала могут иметь различную способность вызывать генерирование электромагнитной энергии, или, как говорят, могут иметь различную активность. Если в наличии имеются несколько одинаковых кварцев, то для генератора с плавным изменением частоты следует

выбирать наиболее активный кварц, т.е. тот кварц, который способен создать наибольшую амплитуду генерируемой частоты, измеренную вольтметром А1. При всех проверках работоспособности кварцев катушка L1 и конденсатор С1 должны быть исключены из схемы, а нижний по схеме вывод кварца должен быть подключен к земле.

• Если вдруг окажется, что ни один из имеющихся кварцев не вызывает генерацию электромагнитных колебаний и стрелка вольтметра А1 находится на нуле и при подключении питания не шевелится, то следует убе-

диться в работоспособности транзисторов VT1 и VT2, а также всех входящих в схему пассивных деталей - конденсаторов и резисторов.

• Если вы полностью убеждены в работоспособности всех элементов схемы и если схема нормально работает с заведомо исправным кварцем, то нужно заняться подбором конденсаторов С2 и СЗ. Эти конденсаторы определяют величину положительной обратной связи, которая влияет на процесс генерации. Вы должны параллельно каждому иэ этих конденсаторов подключить по еще одному конденсатору примерно с такой же емкостью.

   Затем емкости подключаемых конденсаторов можно увеличить. Часто бывает так, что амплитуда генерируемых колебаний бывает больше, если емкость конденсатора С2 много меньше емкости конденсатора СЗ.     Соотношение величин этих емкостей также следует подбирать, контролируя показания А1. После того, как вы достигли максимальных показаний вольтметра А1, следует нижний по схеме вывод кварца Z1 подключить на землю через конденсатор постоянной емкости величиной 75 или 100 пФ (катушку L1 не подключать). В этом положении следует проверить работоспособность генератора с подключенным последовательно с кварцем конденсатором. Затем можно провести эксперименты с заменой этих конденсаторов на другие, с меньшими емкостями или подключить конденсатор переменной емкости 5 ... 100 пФ -Если генератор перестает

работать при малых величинах емкостей, то параллельно конденсатору переменной емкости нужно подключить подстроечный конденсатор и установить его на минимальную емкость, при которой уже начинается работа генератора, т.е. минимальная емкость переменного конденсатора и емкость подстроечного конденсатора в сумме должны обеспечить начало работы генератора.

   Далее между нижним выводом кварца Z1 и конденсатора С1 следует включить катушку L1. Катушка должна иметь индуктивность порядка 16 мкГн и иметь подстроечный сердечник. Для начала можно взять конструкцию катушки, принятую в моем эксперименте. При первом подключении катушки (подстроечный сердечник должен быть удален из катушки) возможны следующие случаи.

• Генератор не хочет работать с подключенной катушкой. Это может быть в том случае, если индуктивность катушки велика. В этом случае следует отмотать от катушки часть витков и продолжить эксперимент.

• Если генератор нормально работает с подключенной катушкой L1, то нужно ввести в катушку подстроечный сердечник. Делать это следует осторожно, постепенно вводить сердечник и одновременно наблюдать за стрелкой вольтметра А1. Если при каком - то положении сердечника генератор перестает работать, то следует вывести сердечник назад и убедиться в возобновлении работы генератора. Такая катушка может быть использована в схеме нового генератора и позволит выполнить максимально возможный для этого кварца диапазон перестройки частоты.

• Если при работающем генераторе сердечник полностью введен в катушку, а генерация не прерывается, то следует на эту катушку домотать какое - то количество витков, а затем снова убедиться в том, что генератор прекращает работать при определенном положении подстроечного сердечника и снова начинает работать при выводе сердечника из катушки.

   Таким образом можно добиться нормальной работы генератора. Далее следует установить величину диапазона перестройки частоты новым генератором. Все это можно легко выполнить по методике, описанной в предыдущем моем эксперименте. Совет один - не стоит устанавливать максимальную величину диапазона перестройки частоты вашего генератора, если хотите получить высокую стабильность частоты.

Если нет кварца ...

Если нет кварца на нужную частоту, то выход можно найти двумя путями:

 1. Получить нужную частоту путем сложения или вычитания частот двух отдельных кварцев.

Например, необходимую частоту 2,3 МГц можно получить в результате применения кварца с частотой 7,62 МГц и кварца с частотой 5,32 МГц.

2. Получить нужную частоту можно путем применения схемы деления имеющейся частоты на определенный делитель. Например, необходимую частоту 2,66 МГц можно получить при делении частоты указанного выше кварца 5,32 МГц на делитель 2.

   На рис. 5.16 представлена схема, которую я применяю для получения необходимой частоты путем вычитания или сложения частот двух отдельных кварцев.

   Схема представляет собой два кварцевых генератора, выполненных на транзисторах VT1 и VT2. Притом генератор на VT1 выполнен по схеме с плавной перестройкой частоты. Сигналы от каждого из этих генераторов через конденсаторы С4 и С7 поступают, соответственно, на трансформаторы Т1 и Т2. Эти два трансформатора совместно с четырьмя диодами VD1 ... VD4 создают балансный смеситель частот. На выходе из смесителя располагается колебательный контур L2C5C6, который может быть настроен либо на сумму, либо на разность частот, генерируемых кварцевыми генераторами на VT1 и VT2. Каскад на транзисторе VT3 является усилителем частоты, на которую настроен контур L2C5C6. Далее через конденсатор СЮ колебания с необходимой нам частотой можно подавать на любые другие каскады, например, на каскады умножения частоты или последующего сложения с другими сигналами. Или на усилитель, если данная схема служит генератором вспомогательных сигналов.

   В устройстве применены обычные широко применяемые радиодетали. В используемом мною аппарате кварц Z1 имеет частоту собственных колебаний 7,961 МГц, а кварц Z2 - 5,661 МГц.

Оба кварца - от радиостанции РСИУ. Катушка L2 намотана на каркасе диаметром 9 мм между двумя щечками с расстоянием 5 мм. Трансформаторы Т1 и Т2 выполнены на ферритовых кольцах 7x4x2 с магнитной проницаемостью 600.

   Как показали многочисленные опыты, величинамагнитной проницаемости в подобных конструкциях большого значения не имеет. Можно применять ферритовые кольца других размеров.

 Каждый из трансформаторов имеет по 10 витков специального жгутика, выполненного из трех проводов ПЭЛ-0,3. Изготавливается такой трансформатор следующим образом.

• Сначала определяется длина провода, которая сможет обеспечить выполнение 10 витков на выбранном вами кольце, плюс 4 ... 6 мм на выводы.

• Затем отрезаются три одинаковых кусочка изолированного провода (например, ПЭЛ-0,2) и свиваются вместе в один жгутик.

• Наматывать жгутик на кольцо нужно очень осторожно, чтобы не повредить изоляцию провода. После намотки следует очистить от изоляции и полудить кончики проводов, проверить омметром отсутствие замыкания

между проводами.

• Омметром находим конец и начало первичной обмотки и отгибаем их в сторону. У двух оставшихся проводов соединяем начало одного провода с концом другого. Это будет средняя точка вторичной обмотки трансформатора. Проверяем омметром прохождение тока через вторичную обмотку. Эту операцию необходимо проводить всегда, т.к. очень часто бывают ошибки при соединении начала одного провода с концом другого при создании вторичной обмотки.

   В схеме смесителя можно применять любые высокочастотные диоды.

Число витков катушки L2 и емкости CS и С6 выбирается исходя из условия получения нужной частоты колебательного контура. Расчет числа витков катушек индуктивности различных конструкций можно выполнить при помощи компьютерной программы INDUKTIW, которая находится в Интернете на сайте по адресу http://r3xb-tga.narod.ru/

Тяпичев ГЛ.

Продолжение следует...