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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Filtro al quarzo del ricetrasmettitore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radiocomunicazioni civili Il filtro al quarzo è, come sappiamo, “la metà di un buon ricetrasmettitore”. Questo articolo presenta un design pratico di un filtro al quarzo a dodici cristalli della selezione principale per un ricetrasmettitore di alta qualità e un collegamento al computer, consentendo di configurare questo e qualsiasi altro filtro a banda stretta. Nei progetti amatoriali, i filtri a scala di quarzo a otto cristalli realizzati su risonatori identici sono stati recentemente utilizzati come filtro di selezione principale. Questi filtri sono relativamente semplici da produrre e non richiedono grandi costi di materiale. Sono stati scritti programmi per computer per il loro calcolo e modellazione. Le caratteristiche dei filtri soddisfano pienamente i requisiti per la ricezione e la trasmissione del segnale di alta qualità. Tuttavia, nonostante tutti i vantaggi, questi filtri presentano anche uno svantaggio significativo: una certa asimmetria della risposta in frequenza (pendenza piatta a bassa frequenza) e, di conseguenza, un basso coefficiente di ortogonalità. La congestione delle trasmissioni radioamatoriali determina requisiti piuttosto stringenti per la selettività di un moderno ricetrasmettitore su un canale adiacente, quindi il filtro di selezione principale deve fornire un'attenuazione al di fuori della banda passante non inferiore a 100 dB con un fattore di ortogonalità di 1,5-1,8 (a livelli di -6/-90 dB). Naturalmente, le perdite e le irregolarità della risposta in frequenza nella banda passante del filtro dovrebbero essere minime. Guidati dalle raccomandazioni di cui in [1], come base è stato scelto un filtro ladder a dieci cristalli con una caratteristica di Chebyshev con una risposta in frequenza irregolare di 0,28 dB. Per aumentare la pendenza delle pendenze parallele all'ingresso e all'uscita del filtro, sono stati introdotti circuiti aggiuntivi costituiti da risonatori e condensatori al quarzo collegati in serie. I calcoli dei parametri dei risonatori e del filtro sono stati effettuati secondo il metodo descritto in [2]. Per una banda passante del filtro di 2,65 kHz si sono ottenuti i valori iniziali: C1,2 = 82,2 pF, Lkv = 0,0185 H, RH = 224 Ohm. Il circuito del filtro e i valori calcolati dei valori del condensatore sono mostrati in Fig. 1.
Il progetto utilizza risonatori al quarzo per decoder televisivi PAL ad una frequenza di 8,867 MHz, prodotti da VNIISIMS (Aleksandrov, regione di Vladimir). La stabile ripetibilità dei parametri dei cristalli, le loro piccole dimensioni e il basso costo hanno avuto un ruolo nella scelta. La selezione della frequenza dei risonatori al quarzo per ZQ2-ZQ11 è stata effettuata con una precisione di ±50 Hz. Le misurazioni sono state effettuate utilizzando un auto-oscillatore artigianale e un frequenzimetro industriale. I risonatori ZQ1 e ZQ12 per circuiti paralleli sono stati selezionati da altri lotti di cristalli con frequenze rispettivamente inferiori e superiori alla frequenza del filtro principale di circa 1 kHz. Il filtro è assemblato su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia spessa 1 mm (Fig. 2).
Lo strato superiore di metallizzazione viene utilizzato come filo comune. I fori sul lato dove sono installati i risuonatori sono svasati. Gli alloggiamenti di tutti i risuonatori al quarzo sono collegati ad un filo comune mediante saldatura. Prima dell'installazione delle parti, la scheda elettronica del filtro viene sigillata in una scatola stagnata con due coperchi rimovibili. Inoltre, sul lato dei conduttori stampati, viene saldato un divisorio schermo, che passa tra i conduttori dei risonatori lungo la linea assiale centrale della scheda. Nella fig. La Figura 3 mostra lo schema di installazione del filtro. Tutti i condensatori nel filtro sono CD e KM.
Dopo aver realizzato il filtro, è sorta la domanda: come misurare la sua risposta in frequenza con la massima risoluzione a casa? È stato utilizzato un computer domestico, seguito dal controllo dei risultati della misurazione costruendo la risposta in frequenza del filtro punto per punto utilizzando un microvoltmetro selettivo. Per visualizzare la risposta in frequenza di un filtro a un livello di -100 dB, il generatore deve avere un livello di rumore laterale inferiore al valore specificato e il rilevatore deve avere una buona linearità con una gamma dinamica massima non inferiore a 90.. .100dB. Per questo motivo il generatore di rumore è stato sostituito da un tradizionale generatore di spazzamento (Fig. 4).
La base è il circuito di un oscillatore al quarzo [4], la cui densità spettrale di potenza di rumore relativa è pari a - 165 dB/Hz. Ciò significa che la potenza del rumore del generatore con una disarmonia di 10 kHz in una banda di 3 kHz è 135 dB inferiore alla potenza dell'oscillazione principale del generatore! Il layout della fonte originale è leggermente modificato. Quindi, al posto dei transistor bipolari, vengono utilizzati transistor ad effetto di campo e un circuito costituito dall'induttore L1 e dai varicaps VD1 - VD2 è collegato in serie con il risonatore al quarzo ZQ5. La frequenza del generatore è sintonizzabile rispetto alla frequenza del quarzo entro 5 kHz, il che è abbastanza sufficiente per misurare la risposta in frequenza di un filtro a banda stretta. Il risonatore al quarzo nel generatore è simile a quello del filtro. Nella modalità generatore di frequenza di scansione, la tensione di controllo ai varicap VD2 - VD5 viene fornita da un generatore di tensione a dente di sega realizzato su un transistor a giunzione singola VT2 con un generatore di corrente su VT1 . Per regolare manualmente la frequenza del generatore, viene utilizzato un resistore multigiro R11. Il chip DA1 funziona come un amplificatore di tensione. La tensione di controllo sinusoidale originariamente concepita ha dovuto essere abbandonata a causa della velocità irregolare di passaggio della risposta in frequenza di diverse sezioni della risposta in frequenza del filtro e, per ottenere la massima risoluzione, la frequenza del generatore è stata ridotta a 0,3 Hz. L'interruttore SA1 seleziona la frequenza del generatore "sega" - 10 o 0,3 Hz. La deviazione di frequenza dell'MFC è impostata dal resistore di regolazione R10. Il diagramma schematico del blocco rilevatore è mostrato in Fig. 5. Il segnale dall'uscita del filtro al quarzo viene fornito all'ingresso X2 se il circuito L1C1C2 viene utilizzato come carico del filtro. Se le misure vengono effettuate su filtri caricati con resistenza attiva, questo circuito non è necessario. Quindi il segnale proveniente dal resistore di carico viene applicato all'ingresso X1 e il conduttore che collega l'ingresso X1 al circuito viene rimosso dalla scheda a circuiti stampati del rilevatore.
Un inseguitore di sorgente con una gamma dinamica di oltre 90 dB su un potente transistor ad effetto di campo VT1 corrisponde alla resistenza di carico del filtro e alla resistenza di ingresso del mixer. Il rilevatore è realizzato secondo un circuito mixer bilanciato passivo che utilizza transistor ad effetto di campo VT2, VT3 e ha una gamma dinamica di oltre 93 dB. Le porte combinate dei transistor attraverso i circuiti P C17L2C20 e C19L3C21 ricevono tensioni sinusoidali antifase di 3...4 V (rms) dal generatore di riferimento. L'oscillatore di riferimento del rilevatore, realizzato sul chip DD1, contiene un risonatore al quarzo con una frequenza di 8,862 MHz. Il segnale a bassa frequenza formato all'uscita del mixer viene amplificato circa 20 volte da un amplificatore sul chip DA1. Poiché le schede audio dei personal computer hanno un ingresso a impedenza relativamente bassa, il rilevatore è dotato di un potente amplificatore operazionale K157UD1. La risposta in frequenza dell'amplificatore è regolata in modo tale che al di sotto della frequenza di 1 kHz e al di sopra della frequenza di 20 kHz si verifica una caduta di guadagno di circa -6 dB per ottava. Il generatore di frequenza swing è montato su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia (Fig. 6). Lo strato superiore della scheda funge da filo comune, i fori per i conduttori delle parti che non sono in contatto con essa sono svasati. La scheda è sigillata in una scatola alta 40 mm con due coperchi removibili. La scatola è realizzata in lamiera stagnata.
Gli induttori L1, L2, L3 sono avvolti su telai standard del diametro di 6,5 mm con trimmer in ferro carbonilico e posizionati in schermi. L1 contiene 40 spire di filo PEV-2 0,21, L3 e L2 - rispettivamente 27 e 2+4 spire di filo PELSHO-0,31. La bobina L2 è avvolta sopra L3 più vicino all'estremità “fredda”. Tutte le induttanze sono standard: DM 0,1 68 µH. Resistori fissi MLT, accordati R6, R8 e R10 tipo SPZ-38. Resistore multigiro - PPML. Condensatori permanenti - KM, KLS, KT, ossido - K50-35, K53-1. La creazione dell'MCC inizia con l'impostazione del segnale massimo all'uscita del generatore di tensione a dente di sega. Monitorando il segnale sul pin 6 del microcircuito DA1 con un oscilloscopio, utilizzando i resistori di trimming R8 (guadagno) e R6 (offset) impostare l'ampiezza e la forma del segnale mostrato sul diagramma nel punto A. Selezionando il resistore R12, si ottiene una generazione stabile senza accedere alla modalità di limitazione del segnale. Selezionando la capacità del condensatore C14 e regolando il circuito L2L3, il sistema oscillatorio di uscita viene sintonizzato sulla risonanza, che garantisce una buona capacità di carico del generatore. Utilizzando il coil trimmer L1, i limiti di sintonia dell'oscillatore vengono impostati nell'intervallo 8,8586-8,8686 MHz, che si sovrappone con un margine alla banda di risposta in frequenza del filtro al quarzo in prova. Per garantire la massima sintonizzazione della gamma di frequenza (almeno 10 kHz) attorno al punto di connessione L1, VD4, VD5, lo strato superiore di lamina è stato rimosso. Senza carico, la tensione sinusoidale in uscita del generatore è 1 Vrms. Il blocco rilevatore è realizzato su un circuito stampato in fibra di vetro a doppia faccia (Fig. 7). Lo strato superiore della lamina viene utilizzato come filo comune. I fori per i conduttori delle parti che non hanno contatto con il filo comune sono svasati. La scheda è sigillata in una scatola di latta alta 35 mm con coperchio rimovibile. La risoluzione del set-top box dipende dalla qualità della sua produzione.
Le bobine L1-L4 contengono 32 spire di filo PEV-0,21, avvolte per girare su telai con un diametro di 6 mm. Trimmer in bobine dai nuclei dell'armatura SB-12a. Tutte le induttanze sono di tipo DM-0,1. Induttanza L5 - 16 µH, L6, L8 - 68 µH, L7 - 40 µH. Il trasformatore T1 è avvolto su un nucleo magnetico in ferrite ad anello da 1000NN di dimensioni standard K10x6x3 mm e contiene 7 spire nell'avvolgimento primario e 2x13 spire di filo PEV-0,31 nell'avvolgimento secondario. Tutti i resistori di sintonia - SPZ-38. Durante la configurazione preliminare dell'unità, viene utilizzato un oscilloscopio ad alta frequenza per monitorare il segnale sinusoidale alle porte dei transistor VT2, VT3 e, se necessario, regolare le bobine L2, L3. Regolando la bobina L4, la frequenza dell'oscillatore di riferimento viene abbassata al di sotto della banda passante del filtro di 5 kHz. Questo viene fatto in modo che nell'area di lavoro dell'analizzatore di spettro ci siano meno interferenze che riducano la risoluzione del dispositivo. Il generatore di frequenza di scansione è collegato a un filtro al quarzo attraverso un circuito oscillatorio corrispondente con un divisore capacitivo (Fig. 8).
Durante il processo di sintonizzazione, ciò consentirà di ottenere una bassa attenuazione e irregolarità nella banda passante del filtro. Il secondo circuito oscillante corrispondente, come già accennato, si trova nell'attacco del rilevatore. Dopo aver assemblato il circuito di misurazione e collegato l'uscita del set-top box (connettore X3) al microfono o all'ingresso lineare della scheda audio del personal computer, lanciamo il programma dell'analizzatore di spettro. Esistono molti programmi simili. L'autore ha utilizzato il programma SpectraLab v.4.32.16, che si trova su: cityradio.narod.ru/utilJties.html. Il programma è facile da usare e ha grandi capacità. Quindi, lanciamo il programma “SpektroLab” e, regolando le frequenze dell'MCG (in modalità di controllo manuale) e l'oscillatore di riferimento nell'attacco del rilevatore, impostiamo il picco dello spettrogramma MCG a 5 kHz. Successivamente, bilanciando il mixer dell'attacco del rilevatore, il picco della seconda armonica viene ridotto al livello di rumore. Successivamente, la modalità GCH viene attivata e sul monitor viene visualizzata la tanto attesa risposta in frequenza del filtro in prova. Innanzitutto, viene attivata la frequenza di oscillazione di 10 Hz e, utilizzando R11, regolando la frequenza centrale, quindi la banda di oscillazione R10 (Fig. 4), stabiliamo un "quadro" accettabile della risposta in frequenza del filtro in tempo reale . Durante le misurazioni, regolando i circuiti di adattamento, otteniamo disuniformità minime nella banda passante. Successivamente, per ottenere la massima risoluzione del dispositivo, attiviamo la frequenza di scansione di 0,3 Hz e impostiamo nel programma il numero massimo possibile di punti di trasformata di Fourier (FFT, l'autore ha 4096..8192) e il valore minimo della parametro di media (Media, l'autore ne ha 1). Poiché la caratteristica viene tracciata in più passaggi del GKCh, la modalità voltmetro di picco di memorizzazione (Hold) è attivata. Di conseguenza, otteniamo sul monitor la risposta in frequenza del filtro in esame. Utilizzando il cursore del mouse, otteniamo i valori digitali necessari della risposta in frequenza risultante ai livelli richiesti. In questo caso non bisogna dimenticare di misurare la frequenza dell'oscillatore di riferimento nell'attacco del rilevatore, per poter poi ottenere i veri valori di frequenza dei punti di risposta in frequenza. Dopo aver valutato il "quadro" iniziale, regolano le frequenze della risonanza seriale ZQ1n ZQ12, rispettivamente, sulle pendenze inferiore e superiore della risposta in frequenza del filtro, raggiungendo la massima rettangolarità al livello di -90 dB. In conclusione, utilizzando la stampante, otteniamo un “documento” a tutti gli effetti per il filtro prodotto. Come esempio in Fig. La Figura 9 mostra lo spettrogramma della risposta in frequenza di questo filtro. Qui viene mostrato anche uno spettrogramma del segnale GKCh. L'irregolarità visibile della pendenza sinistra della risposta in frequenza al livello di -3...-5 dB viene eliminata riorganizzando i risuonatori al quarzo ZQ2-ZQ11.
Di conseguenza, otteniamo le seguenti caratteristiche del filtro: banda passante al livello -6 dB - 2,586 kHz, irregolarità della risposta in frequenza nella banda passante - inferiore a 2 dB, coefficiente di ortogonalità ai livelli -6/-60 dB - 1,41; a livelli -6/-80 dB - 1,59 e a livelli -6/-90 dB - 1,67; l'attenuazione nella banda è inferiore a 3 dB e l'attenuazione oltre la banda è superiore a 90 dB. L'autore ha deciso di verificare i risultati ottenuti e ha misurato punto per punto la risposta in frequenza del filtro al quarzo. Per le misurazioni era necessario un microvoltmetro selettivo con un buon attenuatore, che era un microvoltmetro del tipo HMV-4 (Polonia) con una sensibilità nominale di 0,5 μV (allo stesso tempo registra bene i segnali a un livello di 0.05 μV) e un attenuatore di 100 dB. Per questa opzione di misurazione è stato assemblato il diagramma mostrato in Fig. 10. XNUMX. I circuiti di adattamento all'ingresso e all'uscita del filtro sono accuratamente schermati. I cavi schermati di collegamento sono di buona qualità. Anche i circuiti “di terra” sono eseguiti con cura.
Cambiando gradualmente la frequenza del resistore di frequenza ad alta frequenza R11 e commutando l'attenuatore da 10 dB, prendiamo letture del microvoltmetro, passando attraverso l'intera risposta in frequenza del filtro. Utilizzando i dati di misurazione e la stessa scala, costruiamo un grafico della risposta in frequenza (Fig. 11).
Grazie all'elevata sensibilità del microvoltmetro e al basso rumore laterale del GKCh, i segnali vengono ben registrati ad un livello di -120 dB, che si riflette chiaramente nel grafico. I risultati della misurazione sono stati i seguenti: -6 dB di larghezza di banda - 2,64 kHz; irregolarità della risposta in frequenza - inferiore a 2 dB; il coefficiente di ortogonalità per i livelli -6/-60 dB è 1,386; a livelli -6/-80 dB - 1,56; a livelli -6/-90 dB - 1,682; a livelli -6/-100 dB - 1,864; l'attenuazione nella banda è inferiore a 3 dB, dietro la banda è superiore a 100 dB. Alcune differenze tra i risultati della misurazione e la versione del computer sono spiegate dalla presenza di errori accumulati nella conversione da digitale ad analogico quando il segnale analizzato cambia in un ampio intervallo dinamico. Va notato che i grafici sopra riportati della risposta in frequenza di un filtro al quarzo sono stati ottenuti con un lavoro di installazione minimo e con una selezione più attenta dei componenti, le caratteristiche del filtro possono essere notevolmente migliorate. Il circuito generatore proposto può essere utilizzato con successo per misurare la selettività a segnale singolo, nonché per misurare la gamma dinamica dei ricetrasmettitori fino a 110...120 dB. Questo dispositivo può essere utilizzato con successo per valutare gli indicatori di qualità del percorso IF dei ricetrasmettitori, il funzionamento dell'AGC e dei rilevatori. Applicando un segnale del generatore di frequenza di scansione al rilevatore, all'uscita del set-top box al PC riceviamo un segnale da un generatore di frequenza di scansione a bassa frequenza, con il quale è possibile configurare facilmente e rapidamente qualsiasi filtro e cascata del percorso a bassa frequenza del ricetrasmettitore. Non meno interessante è utilizzare l'attacco del rilevatore proposto come parte dell'indicatore panoramico del ricetrasmettitore. A questo scopo collegate all'uscita del primo mixer un filtro al quarzo con una larghezza di banda di 8...10 kHz. Successivamente, il segnale ricevuto viene amplificato e inviato all'ingresso del rilevatore. In questo caso potrete osservare i segnali dei vostri corrispondenti con livelli da 5 a 9 punti con buona risoluzione. Letteratura
Autore: G.Bragin (RZ4HK)
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