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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Transceiver-Kristallfilter. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Zivile Funkkommunikation Der Quarzfilter ist bekanntlich „die Hälfte eines guten Transceivers“. In diesem Artikel wird ein praktisches Design eines Zwölfkristall-Quarzfilters der Hauptauswahl für einen hochwertigen Transceiver und Computeranschluss vorgestellt, mit dem Sie diesen und alle anderen Schmalbandfilter konfigurieren können. In Amateurdesigns werden in letzter Zeit als Hauptselektionsfilter Quarz-Achtkristall-Abzweigfilter verwendet, die auf identischen Resonatoren hergestellt sind. Diese Filter sind relativ einfach herzustellen und erfordern keine großen Materialkosten. Für ihre Berechnung und Modellierung wurden Computerprogramme geschrieben. Die Eigenschaften der Filter erfüllen voll und ganz die Anforderungen an einen qualitativ hochwertigen Signalempfang und -übertragung. Bei allen Vorteilen haben diese Filter jedoch auch einen erheblichen Nachteil – eine gewisse Asymmetrie des Frequenzgangs (flache Niederfrequenzflanke) und dementsprechend einen niedrigen Rechteckigkeitskoeffizienten. Die Überlastung von Amateurfunksendungen stellt recht strenge Anforderungen an die Selektivität eines modernen Transceivers auf einem Nachbarkanal, daher muss der Hauptselektionsfilter eine Dämpfung außerhalb des Durchlassbereichs von nicht weniger als 100 dB mit einem Rechteckfaktor von 1,5–1,8 (bei Pegeln) bieten von -6/-90 dB). Natürlich sollten die Verluste und Ungleichmäßigkeiten des Frequenzgangs im Filterdurchlassbereich minimal sein. In Anlehnung an die Empfehlungen in [1] wurde als Basis ein zehnkristalliner Leiterfilter mit Tschebyscheff-Charakteristik und einem ungleichmäßigen Frequenzgang von 0,28 dB gewählt. Um die Steilheit der Flanken parallel zum Ein- und Ausgang des Filters zu erhöhen, wurden zusätzliche Schaltungen eingeführt, bestehend aus in Reihe geschalteten Quarzresonatoren und Kondensatoren. Berechnungen der Parameter der Resonatoren und Filter wurden nach der in [2] beschriebenen Methode durchgeführt. Für einen Filterdurchlassbereich von 2,65 kHz ergaben sich die Ausgangswerte: C1,2 = 82,2 pF, Lkv = 0,0185 H, RH = 224 Ohm. Die Filterschaltung und die berechneten Werte der Kondensatorwerte sind in Abb. dargestellt. 1.
Das Design verwendet Quarzresonatoren für Fernseh-PAL-Decoder mit einer Frequenz von 8,867 MHz, hergestellt von VNIISIMS (Aleksandrov, Region Wladimir). Bei der Wahl spielten die stabile Wiederholbarkeit der Kristallparameter, ihre kleinen Abmessungen und niedrigen Kosten eine Rolle. Die Auswahl der Frequenz der Quarzresonatoren für ZQ2-ZQ11 erfolgte mit einer Genauigkeit von ±50 Hz. Die Messungen wurden mit einem selbstgebauten Selbstoszillator und einem industriellen Frequenzmesser durchgeführt. Die Resonatoren ZQ1 und ZQ12 für Parallelschaltungen wurden aus anderen Kristallchargen mit Frequenzen ausgewählt, die um etwa 1 kHz niedriger bzw. höher als die Hauptfilterfrequenz sind. Der Filter ist auf einer Leiterplatte aus doppelseitiger Glasfaserfolie mit einer Dicke von 1 mm montiert (Abb. 2).
Die oberste Metallisierungsschicht wird als gemeinsamer Draht verwendet. Die Löcher auf der Seite, auf der die Resonatoren installiert sind, sind versenkt. Die Gehäuse aller Quarzresonatoren sind durch Löten mit einem gemeinsamen Draht verbunden. Vor dem Einbau der Teile wird die Filterplatine in einer verzinnten Box mit zwei abnehmbaren Deckeln versiegelt. Außerdem ist auf der Seite der Leiterbahnen eine Schirmtrennwand aufgelötet, die zwischen den Leitungen der Resonatoren entlang der Mittelachse der Platine verläuft. In Abb. Abbildung 3 zeigt das Installationsdiagramm des Filters. Alle Kondensatoren im Filter sind CD und KM.
Nachdem der Filter hergestellt war, stellte sich die Frage: Wie kann man seinen Frequenzgang zu Hause mit maximaler Auflösung messen? Es wurde ein Heimcomputer verwendet und anschließend wurden die Messergebnisse überprüft, indem der Frequenzgang des Filters Punkt für Punkt mit einem selektiven Mikrovoltmeter konstruiert wurde. Um den Frequenzgang eines Filters bei einem Pegel von -100 dB betrachten zu können, muss der Nebenrauschpegel des Generators unter dem angegebenen Wert liegen und der Detektor muss über eine gute Linearität mit einem maximalen Dynamikbereich von nicht weniger als 90 dB verfügen. . 100 dB. Aus diesem Grund wurde der Rauschgenerator durch einen herkömmlichen Sweep-Generator ersetzt (Abb. 4).
Grundlage ist die Schaltung eines Quarzoszillators [4], dessen relative spektrale Rauschleistungsdichte - 165 dB/Hz beträgt. Das bedeutet, dass die Rauschleistung des Generators bei einer Verstimmung von 10 kHz im 3-kHz-Band 135 dB geringer ist als die Leistung der Hauptschwingung des Generators! Das Layout der Originalquelle wurde leicht geändert. Anstelle von Bipolartransistoren werden also Feldeffekttransistoren verwendet und eine Schaltung aus Induktivität L1 und Varicaps VD1 - VD2 in Reihe mit dem Quarzresonator ZQ5 geschaltet. Die Generatorfrequenz ist relativ zur Quarzfrequenz innerhalb von 5 kHz abstimmbar, was für die Messung des Frequenzgangs eines Schmalbandfilters völlig ausreichend ist. Der Quarzresonator im Generator ähnelt dem Filter. Im Wobbelfrequenzgeneratormodus wird die Steuerspannung an die Varicaps VD2 - VD5 von einem Sägezahnspannungsgenerator geliefert, der auf einem Single-Junction-Transistor VT2 mit einem Stromgenerator auf VT1 aufgebaut ist . Zur manuellen Einstellung der Generatorfrequenz wird ein mehrgängiger Widerstand R11 verwendet. Der DA1-Chip fungiert als Spannungsverstärker. Aufgrund der ungleichmäßigen Durchlaufgeschwindigkeit des Frequenzgangs verschiedener Abschnitte des Frequenzgangs des Filters musste auf die ursprünglich konzipierte sinusförmige Steuerspannung verzichtet werden und um eine maximale Auflösung zu erreichen, wurde die Generatorfrequenz auf 0,3 Hz reduziert. Der Schalter SA1 wählt die Frequenz des „Säge“-Generators – 10 oder 0,3 Hz. Der Frequenzhub des MFC wird durch den Trimmwiderstand R10 eingestellt. Das schematische Diagramm des Detektorblocks ist in Abb. dargestellt. 5. Das Signal vom Ausgang des Quarzfilters wird dem Eingang X2 zugeführt, wenn die Schaltung L1C1C2 als Filterlast verwendet wird. Werden Messungen an mit Wirkwiderstand belasteten Filtern durchgeführt, ist diese Schaltung nicht erforderlich. Anschließend wird das Signal vom Lastwiderstand an den Eingang X1 angelegt und der Leiter, der den Eingang X1 mit der Schaltung verbindet, von der Detektorplatine entfernt.
Ein Source-Folger mit einem Dynamikbereich von mehr als 90 dB an einem leistungsstarken Feldeffekttransistor VT1 passt den Lastwiderstand des Filters und den Eingangswiderstand des Mischers an. Der Detektor ist nach einer passiven symmetrischen Mischschaltung mit Feldeffekttransistoren VT2, VT3 aufgebaut und verfügt über einen Dynamikbereich von mehr als 93 dB. Die kombinierten Gates der Transistoren erhalten über die P-Schaltungen C17L2C20 und C19L3C21 gegenphasige Sinusspannungen von 3...4 V (rms) vom Referenzgenerator. Der Referenzoszillator des Detektors, hergestellt auf dem DD1-Chip, enthält einen Quarzresonator mit einer Frequenz von 8,862 MHz. Das am Ausgang des Mischers entstehende Niederfrequenzsignal wird durch einen Verstärker auf dem DA20-Chip etwa 1-fach verstärkt. Da PC-Soundkarten über einen relativ niederohmigen Eingang verfügen, ist der Detektor mit einem leistungsstarken Operationsverstärker K157UD1 ausgestattet. Der Frequenzgang des Verstärkers ist so eingestellt, dass unterhalb einer Frequenz von 1 kHz und oberhalb einer Frequenz von 20 kHz ein Verstärkungsabfall von etwa -6 dB pro Oktave auftritt. Der Schwingfrequenzgenerator ist auf einer Leiterplatte aus doppelseitiger Glasfaserfolie montiert (Abb. 6). Die oberste Schicht der Platine dient als gemeinsamer Draht, die Löcher für die Leitungen von Teilen, die keinen Kontakt damit haben, sind versenkt. Die Platine ist in einer 40 mm hohen Box mit zwei abnehmbaren Deckeln versiegelt. Der Kasten besteht aus verzinntem Blech.
Die Induktoren L1, L2, L3 werden mit Carbonyleisentrimmern auf Standardrahmen mit einem Durchmesser von 6,5 mm gewickelt und in Schirme gelegt. L1 enthält 40 Windungen PEV-2 0,21-Draht, L3 und L2 - jeweils 27 bzw. 2+4 Windungen PELSHO-0,31-Draht. Spule L2 ist auf L3 näher am „kalten“ Ende gewickelt. Alle Drosseln sind Standard – DM 0,1 68 µH. Festwiderstände MLT, abgestimmt R6, R8 und R10 Typ SPZ-38. Multiturn-Widerstand – PPML. Permanentkondensatoren - KM, KLS, KT, Oxid - K50-35, K53-1. Der Aufbau des MCC beginnt mit der Einstellung des maximalen Signals am Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators. Durch Überwachung des Signals an Pin 6 der DA1-Mikroschaltung mit einem Oszilloskop stellen Sie mithilfe der Trimmwiderstände R8 (Verstärkung) und R6 (Offset) die Amplitude und Form des im Diagramm an Punkt A gezeigten Signals ein. Durch Auswahl des Widerstands R12 wird eine stabile Erzeugung erreicht, ohne in den Signalbegrenzungsmodus zu wechseln. Durch die Wahl der Kapazität des Kondensators C14 und die Anpassung der Schaltung L2L3 wird das Ausgangsschwingsystem auf Resonanz abgestimmt, was eine gute Belastbarkeit des Generators gewährleistet. Mithilfe des L1-Spulentrimmers werden die Oszillator-Abstimmgrenzen im Bereich von 8,8586–8,8686 MHz eingestellt, was das Frequenzgangband des zu testenden Quarzfilters mit einem Spielraum überlappt. Um eine maximale Abstimmung des Frequenzbereichs (mindestens 10 kHz) um den Verbindungspunkt L1, VD4, VD5 zu gewährleisten, wurde die oberste Folienschicht entfernt. Ohne Last beträgt die sinusförmige Ausgangsspannung des Generators 1 Veff. Der Detektorblock besteht aus einer Leiterplatte aus doppelseitiger Glasfaserfolie (Abb. 7). Die oberste Folienschicht wird als gemeinsamer Draht verwendet. Die Löcher für die Leitungen von Teilen, die keinen Kontakt zum gemeinsamen Draht haben, sind versenkt. Die Platine ist in einer 35 mm hohen Blechdose mit abnehmbaren Deckeln versiegelt. Die Auflösung der Set-Top-Box hängt von der Qualität ihrer Herstellung ab.
Die Spulen L1-L4 enthalten 32 Windungen PEV-0,21-Draht, die von Windung zu Windung auf Rahmen mit einem Durchmesser von 6 mm gewickelt sind. Trimmer in Spulen aus SB-12a-Panzerungskernen. Alle Drosseln sind vom Typ DM-0,1. Induktivität L5 – 16 µH, L6, L8 – 68 µH, L7 – 40 µH. Der Transformator T1 ist auf einen 1000NN-Ringferrit-Magnetkern der Standardgröße K10x6x3 mm gewickelt und enthält 7 Windungen in der Primärwicklung und 2x13 Windungen PEV-0,31-Draht in der Sekundärwicklung. Alle Abstimmwiderstände - SPZ-38. Bei der vorläufigen Einrichtung des Geräts wird mit einem Hochfrequenzoszilloskop das Sinussignal an den Gates der Transistoren VT2, VT3 überwacht und gegebenenfalls die Spulen L2, L3 angepasst. Durch Einstellen der Spule L4 wird die Frequenz des Referenzoszillators um 5 kHz unter den Filterdurchlassbereich abgesenkt. Dies geschieht, damit im Arbeitsbereich des Spektrumanalysators weniger Störungen auftreten, die die Auflösung des Geräts verringern. Der Wobbelfrequenzgenerator ist über einen passenden Schwingkreis mit kapazitivem Teiler mit einem Quarzfilter verbunden (Abb. 8).
Dadurch können Sie während des Abstimmungsvorgangs eine geringe Dämpfung und Ungleichmäßigkeit im Filterdurchlassband erzielen. Der zweite Anpassschwingkreis befindet sich, wie bereits erwähnt, im Detektoraufsatz. Nachdem wir die Messschaltung zusammengestellt und den Ausgang der Set-Top-Box (Anschluss X3) mit dem Mikrofon oder dem linearen Eingang der Soundkarte des Personalcomputers verbunden haben, starten wir das Spektrumanalysatorprogramm. Es gibt mehrere solcher Programme. Der Autor verwendete das Programm SpectraLab v.4.32.16, zu finden unter: cityradio.narod.ru/utilJties.html. Das Programm ist einfach zu bedienen und verfügt über großartige Funktionen. Also starten wir das Programm „SpektroLab“ und stellen durch Anpassen der Frequenzen des MCG (im manuellen Steuerungsmodus) und des Referenzoszillators im Detektoraufsatz den Spitzenwert des MCG-Spektrogramms auf 5 kHz ein. Anschließend wird durch Ausbalancieren des Mischers des Detektoraufsatzes die Spitze der zweiten Harmonischen auf den Rauschpegel reduziert. Danach wird der GCH-Modus eingeschaltet und der lang erwartete Frequenzgang des zu testenden Filters erscheint auf dem Monitor. Zuerst wird die Schwingfrequenz von 10 Hz eingeschaltet und mit R11 die Mittenfrequenz angepasst, und dann das Schwingband R10 (Abb. 4) erstellen wir in Echtzeit ein akzeptables „Bild“ des Frequenzgangs des Filters . Bei Messungen erreichen wir durch Anpassung der Anpassungsschaltungen minimale Unebenheiten im Durchlassbereich. Um die maximale Auflösung des Geräts zu erreichen, schalten wir als nächstes die Wobbelfrequenz von 0,3 Hz ein und stellen im Programm die maximal mögliche Anzahl von Fourier-Transformationspunkten (FFT, der Autor hat 4096..8192) und den minimalen Wert ein Mittelungsparameter (Mittelwertbildung, der Autor hat 1). Da die Kennlinie in mehreren Durchgängen des GKCh gezeichnet wird, ist der Speicherspitzenvoltmeter-Modus (Hold) eingeschaltet. Als Ergebnis erhalten wir den Frequenzgang des untersuchten Filters auf dem Monitor. Mit dem Mauszeiger erhalten wir die notwendigen digitalen Werte des resultierenden Frequenzgangs in den erforderlichen Pegeln. In diesem Fall dürfen Sie nicht vergessen, die Frequenz des Referenzoszillators im Detektoraufsatz zu messen, um dann die wahren Frequenzwerte der Frequenzgangpunkte zu erhalten. Nachdem sie das anfängliche „Bild“ beurteilt haben, passen sie die Frequenzen der Serienresonanz ZQ1n ZQ12 jeweils an die unteren und oberen Flanken des Frequenzgangs des Filters an und erreichen so eine maximale Rechteckigkeit bei einem Pegel von -90 dB. Abschließend erhalten wir mit Hilfe des Druckers ein vollwertiges „Dokument“ für den hergestellten Filter. Als Beispiel in Abb. Abbildung 9 zeigt das Spektrogramm des Frequenzgangs dieses Filters. Dort ist auch ein Spektrogramm des GKCh-Signals dargestellt. Die sichtbare Unebenheit der linken Flanke des Frequenzgangs im Bereich von -3...-5 dB wird durch die Neuanordnung der Quarzresonatoren ZQ2-ZQ11 beseitigt.
Als Ergebnis erhalten wir die folgenden Filtereigenschaften: Durchlassband beim -6-dB-Pegel - 2,586 kHz, Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs im Durchlassband - weniger als 2 dB, Rechteckigkeitskoeffizient beim -6/-60-dB-Pegel - 1,41; bei Pegeln -6/-80 dB - 1,59 und bei Pegeln -6/-90 dB - 1,67; Die Dämpfung im Band beträgt weniger als 3 dB und die Dämpfung außerhalb des Bandes beträgt mehr als 90 dB. Der Autor beschloss, die erhaltenen Ergebnisse zu überprüfen und den Frequenzgang des Quarzfilters Punkt für Punkt zu messen. Für die Messungen war ein selektives Mikrovoltmeter mit gutem Dämpfungsglied erforderlich, nämlich ein Mikrovoltmeter vom Typ HMV-4 (Polen) mit einer Nennempfindlichkeit von 0,5 μV (gleichzeitig zeichnet es Signale bei einem Pegel von 0.05 μV gut auf) und ein Dämpfungsglied von 100 dB. Für diese Messmöglichkeit wurde das in Abb. 10 dargestellte Diagramm zusammengestellt. XNUMX. Die Anpassschaltungen am Ein- und Ausgang des Filters sind sorgfältig abgeschirmt. Die abgeschirmten Anschlussleitungen sind von guter Qualität. Auch die „Erde“-Schaltungen sind sorgfältig ausgeführt.
Durch sanftes Ändern der Frequenz des Hochfrequenzwiderstands R11 und Umschalten des 10-dB-Dämpfungsglieds nehmen wir Mikrovoltmeter-Messwerte vor und durchlaufen den gesamten Frequenzgang des Filters. Aus Messdaten und demselben Maßstab erstellen wir ein Frequenzgangdiagramm (Abb. 11).
Dank der hohen Empfindlichkeit des Mikrovoltmeters und des geringen Nebenrauschens des GKCh werden Signale bei einem Pegel von -120 dB gut erfasst, was sich deutlich in der Grafik widerspiegelt. Die Messergebnisse waren wie folgt: -6 dB Bandbreite - 2,64 kHz; Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs - weniger als 2 dB; der Rechteckigkeitskoeffizient für die Pegel -6/-60 dB beträgt 1,386; bei Pegeln -6/-80 dB - 1,56; bei Pegeln -6/-90 dB - 1,682; bei Pegeln -6/-100 dB - 1,864; Die Dämpfung im Band beträgt weniger als 3 dB, hinter dem Band mehr als 100 dB. Einige Unterschiede zwischen den Messergebnissen und der Computerversion werden durch das Vorhandensein akkumulierter Fehler bei der Digital-Analog-Umwandlung erklärt, wenn sich das analysierte Signal über einen großen Dynamikbereich ändert. Es ist zu beachten, dass die obigen Diagramme des Frequenzgangs eines Quarzfilters mit minimalem Einrichtungsaufwand erstellt wurden und die Eigenschaften des Filters durch eine sorgfältigere Auswahl der Komponenten erheblich verbessert werden können. Die vorgeschlagene Generatorschaltung kann erfolgreich zur Messung der Einzelsignalselektivität sowie zur Messung des Dynamikbereichs von Transceivern bis 110...120 dB eingesetzt werden. Dieses Gerät kann erfolgreich zur Bewertung der Qualitätsindikatoren des ZF-Pfads von Transceivern, des Betriebs von AGC und Detektoren eingesetzt werden. Durch Anlegen eines Wobbelfrequenzgeneratorsignals an den Detektor erhalten wir am Ausgang der Set-Top-Box zum PC ein Signal von einem niederfrequenten Wobbelfrequenzgenerator, mit dem Sie einfach und schnell jeden Filter und jede Kaskade konfigurieren können Niederfrequenzpfad des Transceivers. Nicht weniger interessant ist die Verwendung des vorgeschlagenen Detektoraufsatzes als Teil der Panoramaanzeige des Transceivers. Schließen Sie dazu an den Ausgang des ersten Mischers einen Quarzfilter mit einer Bandbreite von 8...10 kHz an. Anschließend wird das empfangene Signal verstärkt und dem Detektoreingang zugeführt. In diesem Fall können Sie die Signale Ihrer Korrespondenten mit Pegeln von 5 bis 9 Punkten mit guter Auflösung beobachten. Literatur
Autor: G.Bragin (RZ4HK)
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