| Любительский приемник эталонной частоты |
|
| Добавил(а) microsin | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Решил собрать приемник эталонной частоты 66.6(6) кГц, описанный в [1].
Принцип работы приемника хорошо описан в авторской статье UA3VVM [1]. На первый взгляд схема и описание сложные, но при внимательном чтении все оказывается довольно просто. Приемник построен по принципу супергетеродина с двойным преобразованием частоты, см. структурную схему ниже.
МА резонансная магнитная антенна (L1, C1, C2). Одна и та же частота гетеродина 166.6(6) кГц используется в двух смесителях. В первом смесителе (VT2) получается промежуточная частота 100 кГц путем вычитания из частоты гетеродина частоты полезного сигнала: 166.6(6) - 66.6(6) = 100 кГц. На этой частоте происходит фильтрация (VT3, ZQ1) и усиление (IC3 К174ХА2). Во втором смесителе (IC4) из частоты гетеродина вычитается промежуточная частота, в результате на выходе приемника появляется восстановленная частота эталонного сигнала: 166.6(6) - 100 = 66.6(6) кГц. Частота гетеродина 166.6(6) кГц получается путем деления на 60 частоты кварцевого генератора 10 МГц (ZQ2, VT5). Делитель построен на микросхемах DD1 (делитель на 3), IC1 (на 10), IC2 (на 2), в итоге получается коэффициент деления 3*10*2 = 60. [Магнитная антенна] Походил по рынку, и выбрал самую большую, которая на тот момент была. Проницаемость феррита антенны мне не известна, но это неважно - достаточно рассчитать количество витков для нового колебательного контура, настроенного на 66.6 кГц. Измерителем индуктивности определил, что 63 витка на этом стержне дают 350 мкГн. У меня был постоянный бумажный конденсатор на 470 пФ и переменный на 180 пФ, половина от которого равна 90 пФ, т. е. средняя емкость получается 470+90 = 560 пФ. Переменный конденсатор нужен главным образом для того, чтобы подстроить резонанс контура в зависимости от емкости подключаемого кабеля. По онлайн-калькулятору [2] определил, что для конденсатора 560 пФ индуктивность катушки должна быть 10177 мкГн. Известно, что зависимость индуктивности от числа витков катушки квадратическая: N12 N22 Тогда получается, что для числа витков новой катушки: N2 = (632 * 10177)/350 т. е. у новой катушки должно быть примерно N=340 витков. Мне хватило литцендрата только на 324 витка. Измерил индуктивность катушки антенны, получилось 11.43 мГн.
Магнитная антенна в корпусе, с коннектором BNC. Ферритовый стержень обмотан полиэтиленом и вставлен в кусок ПВХ трубы, коробка спаяна из стеклотекстолита:
[Кварцевый фильтр ПЧ] С поиском кварцев на 100 кГц мне пришлось повозиться. На радиорынке удалось раскопать старинный стеклянный большой кварц. На ebay заказал мелкие металлические кварцы.
Стеклянный кварц показал добротность немного выше, чем кварцы с ebay, однако его устойчивость в работе оставляла желать лучшего - он давал больше низкочастотного шума и очень чувствовал механические толчки. После экспериментов оказалось, что кварцы ощутимо отличаются как по частоте, так и по добротности. Поэтому конкретный экземпляр кварца лучше подобрать по максимальной чувствительности приемника и по согласованию с частотой гетеродина. Конечно, совсем не обязательно применять кварц именно на 100 кГц, нужно просто пересчитать контура ПЧ (L2C7, L4C22) и частоту гетеродина. [Гетеродин] В оригинальной схеме [1] частота гетеродина 166.6(6) кГц синтезировалась от кварца 10 МГц и делителя на 60. Делитель был собран на 3 микросхемах КМОП, что мне не очень понравилось. Возникла идея генерировать такую же частоту гетеродина с помощью микроконтроллера AVR. Такое решение имеет преимущество: упрощается схема, расширяются возможности по применению других кварцев и фильтров. Последнее важно, поскольку иногда довольно трудно найти кварцевый резонатор на 100 кГц, который был применен в качестве фильтра ПЧ в приемнике [1]. Кроме того, AVR можно использовать для дополнительных сервисных функций - для связи с компьютером через USB, для управления синтезатором частоты и т. д. Микроконтроллер AVR может аппаратно генерировать прямоугольный сигнал со скважностью 50%, если соответствующим образом запрограммировать его таймер-счетчик. Я выбрал микроконтроллер AT90USB162, работающий от частоты кварца 16 МГц (макетная плата AVR-USB162 [3]) и его 8-битный TIMER0 (можно также использовать и 16-битный TIMER1). Чтобы получить частоту гетеродина 166.6(6) кГц, таймер должен делить частоту 16 МГц на 96. Алгоритм настройки TIMER0, чтобы получить 166.6(6) кГц на ножке порта PB7 (выход OC0A) на псеводокоде C: 1. Настройка PB7 как выхода: DDRB |= (1 << PB7); 2. В регистре TCCR0A биты COM0A1 и COM0A0 нужно поставить в значение 01 (см. таблицу 14-2 даташита AT90USB162), тогда выход OC0A будет переключаться при срабатывании цифрового компаратора. TCCR0A |= (0 << COM0A1)|(1 << COM0A0); 3. Биты WGM02 (регистр TCCR0B), WGM01, WGM00 (регистр TCCR0A) нужно установить в значение 010, тогда будет режим CTC, верхняя граница счета TOP будет определяться регистром OCR0A (TCCR0A |= (1<<WGM01)). Бит WGM02 и так уже сброшен в 0, поэтому достаточно изменить только регистр TCCR0A: TCCR0A |= (1 << WGM01)|(0 << WGM00); 4. Таймер тактировать от частоты кварца 16 МГц, для этого нужно в биты CS02, CS01 и CS00 регистра TCCR0B записать значение 001 (см. таблицу 14-9 даташита): TCCR0B |= (0 << CS02)|(0 << CS01)|(1 << CS00); 5. В регистр OCR0A нужно записать 47, тогда ножка OC0A будет переключаться с частотой 166.6(6) кГц. OCR0A = 47; [Виртуальный COM-порт для управления регистрами] Для экспериментов я написал простенький проект на основе библиотеки LUFA, чтобы можно было через консоль текстовыми командами управлять содержимым любого регистра. Команды следующие:
Здесь addr указывается как 2 символа HEX-адреса, а bitmask это 2 символа HEX-значения маски бит для регистра. Команда set установит те биты регистра, которые установлены в маске, а команда clr сбросит те биты регистра, которые установлены в маске. Биты в маске bitmask, которые равны 0, командами set и clr не меняются. Команды настройки TIMER0, чтобы получить 166.6(6) кГц на ножке порта PB7 (шаги 1..5):
Подстройка частоты гетеродина. Подключил частотомер к ножке PB7, и измерил полученную частоту. Оказалось, что на частоту генерации влияют конденсаторы C4 и C5, которые подключены к выводам кварца (ножки XTAL2 и XTAL1 микроконтроллера соответственно).
У меня получилось 166.674 кГц с двумя конденсаторами C4 и C5. Когда отпаял C5 от входа XTAL1, получилось 166.735 кГц. Когда отпаял оба конденсатора, получилось 166.767 кГц. Таким образом, выходную частоту удалось перестроить на 93 Гц. Частота тактового генератора 16 МГц при этом перестраивалась на 8928 Гц (93 Гц * 96)! Удивительно то, что интерфейс USB при этом продолжал нормально работать. Возможно, что такой перестройки гетеродина будет достаточно. Если нет, то придется делать какую-нибудь дополнительную схему генератора. Кроме схемы генератора из [1], есть и другие варианты [4, 5]. [LC-генератор на 16 МГц] После запуска макета приемника выяснилось, что частота кварца фильтра ПЧ оказалась выше 100 кГц - настолько, что скомпенсировать этот уход подстройкой частоты кварцевого генератора уже невозможно. Других кварцев на 100 кГц у меня не было (заказал на ebay, но они пока не пришли). Решить эту проблему можно несколькими способами - подобрать кварц на другую частоту, при этом придется перестроить контуры L2C7 и L4C22, или временно собрать обычный генератор на LC-контуре. Выбрал как более простой последний вариант. Перерыл интернет в поиске разных схем. Больше всего понравился вариант на 2 полевых транзисторах КП303 - простая схема, хорошая нагрузочная способность, можно применить простую катушку без отводов и дополнительных обмоток.
Номиналы почти всех деталей схемы не критичны. Желательно только R1 применить с двухступенчатой настойкой, наподобие СП5-35Б, чтобы можно было точно настраивать частоту. Генератор заработал сразу. У меня не было хорошей индуктивности для LC-контура L1C4, поэтому пошел на рынок и по дешевке набрал разного старого железа, где были контуры с подстроечными сердечниками. Методом простого подбора нашел из них подходящую индуктивность с экраном и подстроечным сердечником. Приемник с таким гетеродином заработал, но его частота не была достаточно стабильной, и было сложно её настроить резистором R1. [Подбор кварца фильтра ПЧ и кварцевого резонатора для гетеродина] Для повышения стабильности работы приемника решил вернуться к схеме на основе гетеродина с кварцевым резонатором. В Excel составил таблицу для подбора комбинации кварца фильтра ПЧ и кварца гетеродина. Таблица составлялась для популярных частот кварцев [6]. При изменении частоты ПЧ придется перестроить контуры L2C7 и L4C22, поэтому их значения я также добавил в таблицу.
Примечания: (1) Базовый вариант, в котором частота ПЧ совпадает с [1]. Fg частота гетеродина, привязанная к частоте ПЧ (т. е. к частоте кварцевого фильтра ZQ1). После этого приступил к экспериментам, меняя частоты кварцев и коэффициент деления счетчика AVR по таблице. Кварцевый генератор собрал по следующей схеме:
Выяснилось, что частоту гетеродина при использовании кварцевого резонатора удается перестроить в лучшем случае на 30 Гц (имеется в виду частота в столбце Fgr, полученная после деления тактовой частоты таймером). Точнее всего работала комбинация ПЧ 100 кГц с кварцевым резонатором 6 МГц (выделено в таблице зеленым шрифтом). Эта схема работает на частоте последовательного резонанса кварца. При подборе частоты кварцевого генератора следует иметь в виду, что кварц имеет 2 резонансные частоты - частота последовательного резонанса и частота параллельного резонанса. Эти частоты отличаются друг от друга примерно на 1%, частота последовательного резонанса ниже, а частота параллельного резонанса выше. Пожалуй, самое сложное в настройке приемника - заставить кварцевый генератор работать на нужной частоте. В небольших пределах частоту генератора можно корректировать дополнительно подключенными емкостью и индуктивностью. Включенная последовательно с кварцем индуктивность понижает частоту генерации, а последовательно включенный конденсатор частоту повышает. Также подключенный параллельно кварцу конденсатор уменьшает частоту генерации (на схеме выше эту роль играют конденсаторы C1 и C2). [Сборка и настройка] 1. Конденсаторы, от которых зависит резонанс (C1, C7, C22, C74) или точная установка частоты (C14, C15, C18), применяйте термостабильные - слюдяные или бумажные. Обычные керамические не подойдут. Если у Вас есть старые советские трубчатые конденсаторы малой емкости, то берите окрашенные синим или серым цветом - они имеют минимальный температурный коэффициент.
2. Высокочастотные конденсаторы - постоянные, переменные и подстроечные - часто имеют "полярность". У них может быть так называемый "холодный" конец и "горячий" конец (зависит от конструкции конденсатора). Холодный конец соответствует обкладке конденсатора, которая его экранирует (находится снаружи конденсатора). На фотографии выше показаны высокочастотные конденсаторы, у которых "холодный" конец помечен черной меткой. Метка присутствует не всегда, но внутреннюю и внешнюю обкладку можно всегда определить прозвонкой обычным тестером. В целях повышения помехозащищенности холодный конец следует подключать ближе к земле, т. е. к цепи, который имеет минимальный уровень сигнала. Горячий конец соответствует внутренней обкладке конденсатора, его подключают к цепям сигналов. Такая методика позволяет улучшить экранирование и тем самым повысить устойчивость работы радиотракта. 3. Если собираете макет, то желательно его собирать навесным монтажом на двустороннем текстолите, где нижняя фольга платы полностью соединена с общим проводом. Однако свой макет я собрал на обычной плате, см. фото.
4. Микросхемы лучше установить в сокет. Есть риск, что попадется неисправный экземпляр. Я заказал TCA440 (аналог К174ХА2) на aliexpress, и из 5 микросхем одна оказалась неисправной. Старайтесь выходные цепи приемника монтировать подальше от входных, потому что при паразитной обратной связи возможно самовозбуждение (на входе и выходе приемника одинаковая частота сигнала 66.6 кГц). Катушки желательно поместить в экран, или мотайте их на ферритовых кольцах. Настройка хорошо описана в [1], однако я настраивал свой приемник по более простой методике. Для настройки приемника Вам потребуется мультиметр, осциллограф и генератор (я использовал JDS6600 [9]). Также желательно иметь частотомер, он пригодится на этапе экспериментов с гетеродином. Соберите схему полностью, проверьте, что она и собрана правильно, без грубых ошибок и замыканий. Настройку рекомендую выполнять в следующей последовательности: 1. Через разделительный конденсатор 1..10 мкФ подключите к выводу 7 микросхемы К174ХА2 любой УНЧ. Можно для этой цели воспользоваться звуковой картой компьютера. УНЧ дает возможность на слух контролировать работу всего тракта приемника. 2. Резистором R11 грубо настройте чувствительность S-метра PA1. Для этого при поданном питании дотроньтесь пальцем до вывода 12 (вход УПЧ) микросхемы К174ХА2. Микросхема начнет принимать и усиливать помехи, заработает АРУ, стрелка PA1 отклонится вправо. Отрегулируйте резистором R1 положение стрелки таким образом, чтобы она почти полностью отклонилась вправо (соответствует максимальному уровню сигнала). 3. Подайте с генератора на вход приемника сигнал частотой 100 кГц. Это можно сделать с помощью нескольких витков провода, наброшенных на магнитную антенну, на которые через резистор 100..470 ом подан сигнал с генератора. Подберите уровень сигнала таким, чтобы стрелка индикатора PA1 отклонилась примерно наполовину шкалы. Настройте контуры L2C7 и L4C22 в резонанс по максимуму отклонения стрелки PA1. L2C7 имеет малую добротность из-за малого соотношения L/C, поэтому его резонанс можно грубо подобрать емкостью C7. Контур L4C22 требует более точной настройки. Свою L4 я намотал на ферритовом кольце, и подбирал её индуктивность количеством витков. 4. По частотомеру установите частоту гетеродина 166.6 кГц. Если у Вас нет частотомера, то частоту можно с помощью генератора установить по биениям на простейшем смесителе (см. врезку "Как обойтись без частотомера"). 5. Подайте с генератора частоту 66.6 кГц, и по показаниям S-метра PA1 настройте в резонанс контуры L1C1C2 и L5C27. 6. Осталась точная настройка, которая заключается в подгонке частоты гетеродина под частоту фильтра ПЧ на кварце ZQ1. Это делается по приему сигнала 66.6(6) кГц от эталонной станции. Отключите генератор и попытайтесь принять сигнал, настраивая частоту гетеродина и контур L1C1C2. Если приема нет, с помощью генератора выясните, на какой частоте идет прием, после чего корректируйте настройку L1C1C2 и гетеродина. В конечном итоге Вы должны добиться нормального приема радиостанции. Конденсатором C8 сбалансируйте фильтр ПЧ, добиваясь максимальной чувствительности приемника. Если у Вас пока что проблема с настройкой гетеродина, можно временно вместо него применить внешний лабораторный генератор (например [9]), настроенный на частоту 166.6(6) кГц. Я даже подумываю поставить в корпусе приемника разъем для подключения внешнего гетеродина. Генератор должен работать в режиме прямоугольных импульсов со скважностью 50%, уровень импульсов 5V. Если Вы находитесь далеко от эталонной радиостанции и прием неустойчивый, поднесите магнитную антенну к металлической водопроводной трубе или к трубе центрального отопления. Также можно сделать резонансную рамочную антенну [7, 8], настраиваемую внешним переменным конденсатором. Рамку можно сделать из обычных пяльцев для шитья крестиком. Чем больше диаметр катушки рамки, тем лучше. Рамочная антенна по сути это простой колебательный контур большого размера, настроенный в резонанс с частотой 66.6 кГц, в который для улучшения приема можно поместить магнитную антенну. Также полезно заземлить общий провод приемника. Готовые рамочные антенны можно купить на AliExpress. Интересно, что уровень принимаемого сигнала сильно увеличивается, если поднести стержень магнитной антенны к трубе водяного отопления. Скорее всего причина в том, что по трубе текут высокочастотные токи, наводимые радиоволнами. При наличии сильных электромагнитных помех (например от PC монитора или светодиодных ламп) может помочь экранирование магнитной антенны [10]. Можно определить частоту гетеродина с помощью лабораторного генератора и простейшего смесителя, показанного на схеме ниже.
Усилитель низкой частоты, подключенный к выходу этого смесителя, позволит на слух контролировать разность частот двух генераторов, измеряемого и эталонного, в пределах 100..8000 Гц. При достаточном уровне сигнала (амплитуда около 5V) по вспышкам светодиода можно определить разность частот 0.5..30 Гц. [Полученные результаты] Мой частотомер Victor VC3165 показал частоту на выходе настроенного приемника 66.6672 кГц. Ошибка составила 1.2 Гц, что соответствует абсолютной точности показаний частотомера 0.00018%.
[UPD180521] Схему приемника я немного переработал. Главным образом не устраивал малый уровень сигнала на выходе второго смесителя и низкий коэффициент усиления всего тракта. Изменения следующие: 1. Переделал первый смеситель и балансный кварцевый фильтр, в результате убрал транзисторы VT2 (КП303) и VT3, VT4 (КТ3102). Первый смеситель теперь работает в составе К174ХА2, включенной почти по классической схеме (задействованы все узлы, кроме встроенного гетеродина). 2. Задействовал АРУ по ВЧ на первом смесителе, соединив ножку 3 и 10 микросхемы К174ХА2. В результате значительно возросла чувствительность приемника. 3. Заменил VT6 (КП303) и IC4 (К561КТ3) на вторую микросхему К174ХА2. Она работает как второй смеситель и усилитель выходной частоты с АРУ. Вот обновленная схема приемной части (без гетеродина 166.6 кГц):
Размах выходного сигнала стал 0.8V от пика до пика, и благодаря АРУ обрел стабильность по уровню. Попробовал вместо К174ХА2 использовать импортные микросхемы TCA440, и особой разницы в работе не заметил, кроме незначительного снижения уровня сигнала на выходе (ножка 7). Примечательно, что приемник сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от 5 до 12V. Настройка приемника очень проста, если заранее подобрать значения индуктивностей и емкостей колебательных контуров, чтобы они были точно настроены на частоты 66.6 кГц и 100 кГц. Я намотал все катушки на ферритовых кольцах диаметром 10 мм и высотой 5 мм, подбирая индуктивность количеством витков. Точную настройку контуров можно сделать с помощью генератора и осциллографа по максимальному уровню сигнала на выходе микросхем IC1 и IC2 (ножка 7). Балансный фильтр Tr1ZQ1C9 настраивается конденсатором C9 по минимальному отклонению стрелки PA1 в отсутствие сигнала. Планы на будущее: сделать программно перестраиваемый гетеродин на основе синтезаторов Si5351 [1] или Si570, цифровую шкалу и частотомер для точной настройки приемника, развести плату. Пока рисую схему в Eagle, и жду когда придет металлический корпус, заказанный на aliexpress. [UPD180623] Пришли из Китая заказанные платы, собрал приемник начисто. На основе AVR-USB32U4 [12] и Si570 [13] собрал гетеродин на 166 кГц. Подключил к AVR-USB32U4 энкодер и экран LCD от телефона Siemens S65 (LS0208UD06), теперь можно плавно перестраивать гетеродин и контролировать его частоту на экране. Собранная аналоговая часть приемника:
Цифровая часть, гетеродин на AVR-USB32U4 и синтезаторе Si570:
[UPD180901] Нашел в себе силы поместить приемник в алюминиевый корпус. Дописал программу, чтобы она кроме частоты гетеродина выводила на экран выходной сигнал, который присутствует на выходе приемника. АЦП делает выборки на частоте, в несколько раз ниже входной, т. е. сигнал оцифровывается с недодискретизацией (обратное от термина "передискретизация"). Однако все равно форма сигнала более-менее восстанавливается благодаря тому, что он периодический, и по внешнему виду осциллограммы на индикаторе можно оценить уровень шумов на выходе приемника. Ниже на фотографиях показан внешний вид готовой конструкции.
Схема блока управления, который содержит формирователь частоты гетеродина 166.6 кГц на основе синтезатора Si570, счетчика/делителя К1533ИЕ19, звуковой бипер, входные цепи АЦП и энкодер:
PD0, PD1 реализуют интерфейс I2C для управления синтезатором. Частота 42666.66 кГц на выходе синтезатора делится на 256 счетчиком К1533ИЕ19, в результате получается частота гетеродина 166.6 кГц (она отображается на экране, и меняется с помощью ручки энкодера). Вход АЦП работает на ножке порта PF1 (канал ADC1), опорное напряжение 3.3V. Кнопка энкодера подключена к порту PF4, а фазы энкодера к портам PF5 и PF6. Управление самое примитивное: положением антенны и частотой гетеродина по стрелочному индикатору приемник настраивается точно на частоту приема 66.6(6) кГц. Частота гетеродина плавно изменяется поворотом ручки энкодера, и при этом текущая частота гетеродина отображается на экране. Длительное нажатие на ручку энкодера записывает значение частоты гетеродина в энергонезависимую память EEPROM микроконтроллера ATmega32U4, чтобы оно автоматически восстанавливалось при следующем включении питания приемника. [UPD180909] За выходные собрал программируемый делитель частоты на макетной плате AVR-USB-MEGA16, см. фото.
Сигнал с выхода приемника приходит на миниатюрный компаратор LMV331 (на плате за проводками его почти не видно), и с выхода компаратора поступает на вход T1 счетчика/делителя ATmega32A. Таймер/счетчик 1 микроконтроллера позволяет делить частоту на произвольный коэффициент от 2 до 65535 [17]. Также на макетной плате смонтирован электронный ключ HC4066, чтобы можно было переключать выходной коннектор с выхода компаратора на выход микроконтроллера OC1A. Интерфейс пользователя приемника добавился возможностью менять коэффициент деления частоты на выходе приемника от 1 до 65535. На экран выводится частота гетеродина приемника, коэффициент деления и значение выходной частоты.
[Ссылки] 1. Любительский приемник эталонной частоты - 66,6 кГц. |
