Азбука УКВ аппаратуры.

Часть 1. Блоки УКВ аппаратов

Статья 7. Блоки задающих генераторов

(Продолжение)

Умножители частоты.

Для работы любительских радиостанций на высокочастотных участках УКВ и СВЧ диапазонов гетеродины приемников и передатчиков становятся многокаскадными. Задающий гене-

ратор, который является первым каскадом гетеродина, обычно работает на довольно низкой частоте. Делается это по разным причинам.

• На низких частотах проще подобрать необходимый кварцевый резонатор или создать более благоприятные условия для стабилизации частоты в генераторах с параметрической стабилизацией.

• На низких частотах легче организовывать управление частотой генератора.

• Отсутствие у радиолюбителей высокочастотных кварцевых резонаторов.

   Многокаскадный гетеродин состоит из генератора и последующих нескольких каскадов умножения частоты до необходимой рабочей величины. Так, например, если нам необходимо для

 KB радиоприемника, имеющего любительский диапазон 21 МГц разработать конвертер для приема сигналов в диапазоне 145 МГц, - нужно создать гетеродин с рабочей частотой 123 МГц.

   Получить такую рабочую частоту можно несколькими способами, с использованием самых разнообразных кварцевых резонаторов. Одним из вариантов может быть применение КР на час-

тоту 13,66 МГц. В этом случае собственно генератор должен генерировать частоту 13,66 МГц, а следующие два каскада должны выполнить умножение этой частоты в 9 раз, т.е. каждый из

 каскадов должен умножать частоту на 3, или, как говорят, каждый из этих каскадов должен работать в режиме утроителя частоты.  Как правило, умножительные каскады в большее число раз в любительской практике используются редко.

Схемы простых умножителей частоты.

  Фактически умножитель частоты не является каким-то необычным, специальным каскадом, а представляет собой обычный усилительный каскад высокой частоты. На рис. 7.1 приведены две схемы простых умножителей частоты.

   Схема на рис. 1.1,а представляет собой обычный каскад УВЧ. Резисторами Rl, R2 и R3 устанавливается режим работы транзистора VT1. Контур L1C3 должен быть настроен на частоту нужной гармоники электромагнитных колебаний, поступающих на этот каскад через С1 от каскада предыдущего. Выделенный в контуре L1C3 сигнал нужной частоты подается к следующему каскаду через конденсатор С5. Резистор R4 и конденсатор С2 предотвращают попадание ВЧ энергии в цепи питания (являются блокировоч- ными элементами).

   Схема на рис. 7.1,6 уже имеет значительные отличия от предыдущей схемы. Главное отличие в том, что транзистор VT1 в этой схеме работает в ключевом режиме, т.е. ток через транзис-

 тор протекает только во время прохождения через базу транзистора импульса положительного полупериода колебаний, которые поступают через С1. Контур L1C3 является параллельной нагрузкой, настроенной на частоту нужной гармоники. Выделенный в этом контуре сигнал нужной частота подается к следующему каскаду через С4.

Схемы двухтактных удвоителей

   Требование о необходимости содержания в сигнале гетеродина минимальных шумов, которые зависят от наличия в сигнале большого числа гармоник, поставило задачу уменьшить число этих гармоник. 

   Выполнить поставленную задачу удается с помощью специальных двухтранзисторных умножителей, в которых эти два транзистора включены по двухтактной схеме. На рис. 7.2. приведена

 принципиальная схема двухтактного удвоителя частоты.

   Транзисторы на схеме рис. 7.2 включены по так называемой двухтактной схеме. Дело в том, что на базы этих транзисторов поступают противофазные сигналы и в течение одного из полупериодов поступающего сигнала работает транзистор VT1, а в течение второго полупериода

 работает транзистор VT2. Поскольку эти два транзистора работают на общую для них нагрузку, то в этой нагрузке, за один период частоты поступающего на каскад сигнала, возникают два

 периода уже новой, удвоенной частоты.  

  Если поступающий на такой каскад сигнал достаточно сильный, то точно таким же образом на выходе можно выделить и четвертую гармонику поступающего на вход сигнала. 

Как вы уже заметили, двухтактный удвоительный каскад выделяет в своей нагрузке только четные гармоники. Все нечетные гармоники подавляются и в последующем сигнале уже не присутствуют.

   Сигнал, который должен быть удвоен, выделяется в контуре L1C. Поверх катушки L1 наматывается катушка L2, выполнeнная из двух отдельных проводов. Делается катушка L2 следую щим образом. Нужно отмерить и отрезать два одинаковых куска изолированного тонкого провода, длина которых должна быть достаточной для намотки поверх катушки LI 3...5 витков, из которых будет состоять катушка L2. Затем два конца обоих проводов зажимаются и эти два провода свиваются в единый жгут. После намотки катушки L2 получившимся жгутом и закреплении её витков, начало одного из проводов соединяется с концом другого провода. Таким путем образуется средняя точка катушки L2, которая соединяется с корпусом (заземляется).  Оставшиеся конец первого провода и начало провода второго подключаются, через конденсаторы С1 и С2, к базам транзисторов VT1 и VT2.

  Таким путем организуется противофазная подача сигналов к базам VT1 и VT2.

 На рис. 7.3 приведена принципиальная схема второго варианта двухтактного удвоителя частоты. 

   Схема этого варианта несколько проще и содержит меньшее количество деталей, но работает так же эффективно. Как вы уже заметили, нагрузка удвоительного каскада, роль которой

 выполняет контур L3C3, включена в этом варианте последовательно. В таком случае нужно всегда помнить, что выходные емкости транзисторов складывается и отвод для подключения катушки должен располагаться ближе к заземленному по ВЧ концу катушки.

   Ток через транзисторы, и вместе с ним, усиление удвоенного сигнала регулируется подбором величины сопротивления R1. Емкость С1 обычно берется в пределах 120...200 пФ.

Умножители нечетных гармоник

   Если двухтактную схему умножителя частоты несколько преобразовать, она станет служить умножителем нечетных гармоник и подавлять гармоники четные. На рис. 7.4 приведена схема

двухтактного утроителя частоты.

   Основное отличие схемы этого умножителя состоит в том, что в цепях коллекторов и одного и другого транзисторов (VT1 и VT2) располагаются по одному контуру (L3 и L4), настроен ному на нужную гармонику. Каждый из этих контуров настраивается своим собственным подстроечным конденсатором (СЗ и С4). В точке повода питания обязательно должен находиться блокировочный конденсатор С5. В остальном это обычный двухтактный умножитель.

   На рис. 7.5 показана схема еще одного двухтактного утроителя.  

В этой схеме в цепи и одного и другого транзистора располагается один контур L3C3. Питание подается в отвод от средней точки катушки L3 обязательно через ВЧ дроссель Др1.

Умножитель частоты с ФАПЧ

   Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) - это весьма важный и полезный узел, выпускаемый в виде отдельной интегральной схемы многими фирмами - изготовителями.

 ФАПЧ содержит фазовый детектор, усилитель и генератор, управляемый напряжением (ГУН), и представляет собой сочетание в одном корпусе аналоговой и цифровой техники. ФАПЧ применяется для тонального декодирования, демодуляции AM- и ЧМ-сигналов, умножения частот, частотного синтеза и во многих других случаях.

   Уже с давнего времени ФАПЧ перестала быть уделом профессионалов. С появлением на рынке микросхем ФАПЧ радиолюбители все больше начинают использовать эти устройства в своих конструкциях.

Практическое применение ФАПЧ становится среди радиолюбителей - конструкторов модой и в любое радиотехническое изделие пытаются встроить ФАПЧ, хотя в некоторых случаях получается в результате ухудшение характеристик. Дело в том, что ФАПЧ шумит. Одни микросхемы ФАПЧ шумят меньше, другие - больше, но все равно шумят, потому что возможности создания шума заложены в саму основу ФАПЧ.

    Попробуем разобраться в основах работы ФАПЧ. На рис. 7.6 показана классическая блок-схема ФАПЧ. 

   Основные компоненты ФАПЧ: фазовый детектор, НЧ - фильтр, усилитель сигнала и ГУН (Генератор Управляемый Напряжением). При совместной работе эти компоненты создают так называемый «контур регулирования ФАПЧ».

   Фазовый детектор - устройство, которое осуществляет сравнение двух входных частот (одна из которых эталонная) и формирует выходной сигнал, пропорциональный их фазовой разности (если, например, частоты различаются, то на выходе появится периодический сигнал на разностной частоте). Если fBX не равна fryH, то на выходе фазового детектора появляется сигнал.

   Этот сигнал поступает на НЧ-фильтр, а затем и на усилитель. Отфильтрованный и усиленный сигнал фазовой ошибки будет воздействовать на частоту ГУН, изменяя ее в направлении fBX. При нормальных условиях ГУН быстро производит «захват» частоты fBx, поддерживая постоянный фазовый сдвиг по отношению к входному сигналу.

   Если ФАПЧ используется как умножитель частоты, то между выходом ГУН и фазовым детектором включают делитель частоты на величину n, обеспечивая, таким образом, умножение входной эталонной частоты fBx на величину n.

   Самым простым фазовым детектором является цифровой детектор, предстaвляющий собой элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, схематическое изображение которого показано на рис. 7.7,б. На рис. 7.7,а схематично показано как образуется

 сигнал на выходе ФД. На рис. 7.7, в показана зависимость выходного напряжения от разности фаз при использовании фильтра низких частот и прямоугольного входного колебания со скважностью 50%.

   Фазовый детектор, построенный на элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, всегда генерирует выходное колебание, которое в дальнейшем должно фильтроваться с помощью фильтра контура регулирования. Таким образом, ФАПЧ с фазовым детектором такого типа содержит контурный фильтр, работающий как фильтр нижних частот, сглаживающий логический выходной сигнал. В таком контуре всегда присутствует некоторая остаточная пульсация и, следовательно, периодические фазовые изменения. В тех схемах, где ФАПЧ используется для умножения или синтеза частот, к выходному сигналу добавляются еще и «боковые полосы фазовой модуляции». Фазовые изменения и фазовая модуляция вызывают явление, которое мы называем шумом генератора.