Т. Кубат (ЧСФР)

Пропонований увазі читачів прилад є джерелом сигналів точної і стабільної частоти і складається з двох частин: логічної і аналогової. Перша з них дозволяє отримати на виході сигнал необхідної частоти з логічними рівнями ТТЛ і КМОП, друга – сигнал синусоїдальної, трикутної або прямокутної форми з регульованою амплітудою. До особливостей приладу можна віднести використання цифрової установки частоти і фазового автопідстроювання (ФАПЧ),

Технічні характеристики

Максимальний вихолной струм при рівні логічного О (напрузі низького рівня), мА:

Структурна схема приладу зображена на рис. 1. Джерелом сигналу зразковою (точної) частоти є генератор G1, стабілізований кварцовим резонатором на 100 кГц. Після подільника U1 імпульси з частотою повторення в 100 разів меншою (1 кГц) подаються на вхід D фазового детектора U4. Вихід останнього через фільтр нижніх частот (ФНЧ) R2C2 з’єднаний

з входом генератора, керованого напругою (ГУН), G3. Він генерує коливання частотою від 50 кГц до 1 МГц. З цього сигналу вихідний дільник (J6 формує більш низькочастотні імпульси, які потім обробляються перетворювачем U7 і перетворюються в напругу з рівнями КМОП або ТТЛ.

Одночасно сигнал Гуна G3 надходить на вхід дільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення (ДПКД) U2, де перетвориться в напругу з частотою, в N разів меншою. Ця напруга надходить на вхід Е фазового детектора U4. Спрацьовування системи ФАПЧ відбувається, якщо різниця фаз сигналів на входах D і Е дорівнює 0. У цьому випадку справедливе співвідношення f = Nfо, де f-частота сигналу гуна (в точці G), N-коефіцієнт розподілу ДПКД U2, afD– Частота зразкового сигналу на вході D фазового детектора. Якщо встановити коефіцієнт розподілу N цифровим перемикачем, то його свідчення чисельно будуть відповідати частоті коливань гуна (в кілогерц).

Поява різниці фаз напруг на входах фазового детектора призводить до зміни напруги на вході Гуна G3, і виникло відхилення усувається.

Вихід логічної частини приладу через фазовий детектор U3 і ФНЧ R1C1 з’єднаний з аналоговим генератором G2, який виробляє сигнал тієї ж частоти, що і на виході подільника U6. Форма сигналу – трикутна і прямокутна. Синусоїдальна напруга формується з трикутного перетворювачем U5. Обраний перемикачем SA1 сигнал підводиться до вихідного усілітелю- повторителю А1, де передбачена плавна регулювання від 0 до максимального рівня. Напруга контролюють вольтметром PU1. Останній вузол в ланцюзі сигналу аналогової частини – ступінчастий аттенюатор А2, що дозволяє послабити його на – 20, -40 і -60 дБ.

Прилад живиться від мережі змінного струму напругою 220 В через стабілізований випрямляч U8. Нормальну роботу систем ФАПЧ индицируют світлодіоди HL1 і HL2.

Принципова схема генератора зразкової частоти, фазового детектора, Гуна, ДПКД і вузла індикації наведена на рис. 2. Генератор зразкової частоти виконаний на двох інвертора мікросхеми DD1, резисторах Rl, R2, конденсаторах С1-СЗ і кварцовому резонаторі BQ1. Точне налаштування резонатора на частоту 100 кГц виробляють за допомогою підлаштування конденсатора С2. Інвертор DD1.3 використаний як буфера.

Дільник частоти на 100 (Ш; тут і далі в дужках вказано позначення вузла по структурній схемі рис. 1) утворений декадними лічильниками мікросхеми DD2. Сигнал з виходу дільника надходить на вхід фазового детектора, який, як і ГУН, є частиною мікросхеми DD3. Функції ФНЧ виконує ланцюг R3R4C4 з двома постійними часу, що необхідно для нормальної роботи системи ФАПЧ. Частотозадающіх елементи Гуна – резистор R5 і конденсатор С5.

Дільник із змінним коефіцієнтом ділення (U2) виконаний на основі реверсивних десяткових лічильників DD4-DD7, включених в режим рахунку в зворотному напрямку, і цифрового перемикача SA5, за допомогою якого можна встановити будь коефіцієнт розподілу від I до 9999. В момент, коли всі чотири лічильника виявляються в нульовому стані, на виходах Р виникає рівень логічного 0, а на виході елемента 4И-НЕ DD8.1 і з’єднаних з ним

входах S лічильників – рівень 1, завдяки чому вони переходять у стан, відповідне даними, встановленим перемикачем SA5 на входах Dl ~~ D8. З цього моменту під дією сигналу Гуна, що надходить з виходу 4 мікросхеми DD3, починається зворотний рахунок від встановлених на входах даних, який продовжується до тих пір, поки лічильники знов не повернуться в нульовий стан, після чого все повториться спочатку.

Вихідний сигнал дільника – послідовність коротких імпульсів, що виникають на виході елемента DD8.1 в моменти переходу лічильників в нульовий стан, т. Е. Після кожних N імпульсів Гуна. Число N, рівне коефіцієнту ділення, встановлюють за допомогою спеціального перемикача SA5 з виходом в коді BCD.

Нормальну роботу систем ФАПЧ индицируют світлодіоди VD40, VD4I. З метою економії енергії джерела живлення вони разом з світлодіодом VD39, що сигналізує про включення приладу в мережу, включені послідовно з джерелом струму, утвореним транзистором VT8, діодами VD37, VD38 і резисторами R27, R28. При роботі ФАПЧ на виведення 1 мікросхеми DD3 присутня напруга з рівнем логічної ‘1, а на виході інвертора DD1.4 · – логічного О, тому транзистор VT1 закритий, і всі три світлодіода VD39-VD41 яскраво горять. Якщо ж робота системи ФАПЧ порушиться, рівень 1 на виведення 1 DD3 зміниться рівнем 0, транзистор VT1 відкриється і малим опором ділянки еміттер- колектор зашунтірует світлодіоди VD40, VD41, в результаті чого вони згаснуть. Аналогічно при порушенні роботи другої системи ФАПЧ (в аналоговій частині приладу) відкривається транзистор YT4 (див. рис. 6), і гасне один світлодіод VD4I. Конденсатори С61, С62 запобігають миготіння світлодіодів.

Принципова схема вихідного декадного дільника частоти, а також перетворювача імпедансу і логічних рівнів показана на рис. 3. Цей дільник зібраний на мікросхемах DD10-DD16. Для виключення появи на виході сигналів відразу двох частот перший декадний лічильник (DD12.1) вважає тільки до 5. Це досягнуто включенням між його виходами 1 і 4 і входом R елементів DD11.1, DD11.2, що укорочують цикл рахунки зазначеним межею.

Необхідний коефіцієнт поділу встановлюють подачею (за допомогою перемикача SA2) рівня логічної I на вхід одного з елементів DD9.1-DD9.4, DD10.1, DD10.2. У положенні 1 перемикача SA2 («XI») сигнал на вихід надходить безпосередньо через елементи DD10.3, DD10.4. Шпаруватості імпульсів, рівну 2, у всіх інших положеннях перемикача забезпечує тригер DD16.1.

Перетворювач імпедансу і рівня КМОП в рівень ТТЛ виконаний на включених паралельно потужних инверторах мікросхем DD17 і транзисторі VT6. При установці вимикача SA1 в положення «ТТЛ» напруга живлення зменшується на величину напруги стабілізації стабілітрона VD2, в результаті чого рівень логічної I знижується приблизно до 4.5 В. У цьому випадку діод VDI обмежує надходить на вхід перетворювача сигнал до напруги живлення, причому падіння напруги виникає на резисторі R8. Щоб уникнути викликаного його включенням зменшення рівня сигналу на вищих частотах (разом з вхідною ємністю мікросхеми DD17 він утворює ФНЧ) резистор зашунтірован ланцюгом R7C6.

Транзистор VT9 постійно відкритий і насичений. При перевантаженні по виходу струм через мікросхему DD17 обмежується значенням близько 25 мА, що забезпечує її захист.

Генератор, керований напругою, аналогової частини (G2) містить інтегратор і неінвертуючий компаратор з гістерезисом. Принцип його дії полягає в інтегруванні напруги постійної величини, полярність якого періодично змінюється щодо загального проводу. В результаті інтегрування формується лінійно наростаюче і по такому ж закону спадає (трикутне) напруга. Компаратор перемикається в моменти, коли напруга після інтегрування досягає певного рівня, заданого гістерезисом. Частота коливань регулюється ОПТРОН, який управляє струмом, поточним від компаратора до интегратору.

Принципова схема Гуна зображена на рис. 4. Интегратор зібраний на ОУ DA8, що інтегрують конденсатори С65-С77, включені між його виходом і інвертується входом, коммутируются перемикачем SA2.1. Конденсатори С72 і С74, включені між загальним проводом і інвертується входом ОУ (крім низькочастотних діапазонів, де один з них підключається до його виходу), підвищують стійкість роботи ОУ МАС157, який може самозбуджуватися.

Конденсатори С71 і С77 блокують по високій частоті оксидні конденсатори С69, С70 і С75, С76 відповідно.

Компаратор виконаний на ОП DA9. Гістерезис заданий опорами резисторів R63, R66. Для того щоб ОУ не входив в режим насичення (це необхідно для нормальної роботи компаратора на найвищих частотах), пристрій охоплено негативним зворотним зв’язком (ООС), що складається з резистора R67 і діодного моста VD9-VD12 з включеними в його діагональ ланцюгом VD7VD13 і конденсаторами С18, С63. Працює ця ланцюг наступним образом. Поки напруга на виході ОП DA9 мало, напруга на інвертується вході близько до 0. Коли ж рівень вихідного сигналу перевищить напругу, рівну сумі напруг стабілізації стабілітронів VD7, VD13 і падінь напруги на відкритих діодах протилежних плечей моста VD9-VD12, через резистор R67 потече струм, і на вході інвертується ОУ з’явиться напруга, відмінне від 0. Завдяки великому посиленню ОУ і глибокої ООС, подальше зростання вихідної напруги припиняється, і задовго до входження в режим насичення настає обмеження напруги. При цьому передбачається, що напруга на неінвертуючий вході мало, бо інакше до описаного процесу на виході ОП додасться напругу з неінвертірующего входу. У реальних умовах до входу компаратора підводиться напруга трикутної форми, яке обмежується (До прямокутного напруги на виході ОП) зустрічно-паралельно включеними діодами VD44, VD45.

Конденсатори С18 і С63 зменшують динамічний опір стабилитронов VD7, VD13 на низьких і високих частотах, конденсатор С73 компенсує зниження амплітуди трикутного напруги на високих частотах.

На рис. 5 показана пріціпіальная схема аналогового Гуна на гібридних ОУ WSH115. Аналогова частина приладу стійко працює на частотах вище 1 МГц, тривалість наростання і спаду напруги прямокутної форми не перевищує 100 нс.

Для перетворення трикутного напруги в синусоидальное в приладі застосований формирователь (рис. 6). Принцип його дії заснований на послідовній апроксимації. При напрузі на виході ОП DA10, близькому до 0, діє ООС тільки через резистор R60, який разом з резистором R58 визначає коефіцієнт посилення пристрою. У міру збільшення напруги в бік позитивних чи негативних значень в ланцюг ОС за допомогою відповідних діодів включаються інші резистори. В результаті посилення каскаду поступово зменшується, і трикутне напруга на виході формувача набуває форму, близьку до синусоїдальної. Амплітуда вихідної напруги перетворювача визначається послідовними ланцюгами VD27VD42 і VD28VD43, шунтирующими відповідно резистори R68, R72, R76, R80, R57 і R69, R73, R77, R81, R59. Ланцюг R84C64 запобігає самозбудження пристрою.

Фазовий детектор аналогової частини зібраний на мікросхемі МНВ4046 (рис. 7). Формувач імпульсів з необхідними для роботи детектора крутизною фронтів і логічними рівнями виконаний на транзисторі VT3 і трьох елементах мікросхеми DD19. Операційний підсилювач на DA4 використаний як повторювача напруги »узгоджувального пропорційну RC-ланцюг (R23, R17- R20, R108, С15-С17, С19) з електронним ключем на транзисторі VT2, керуючим роботою оптрона Ш (див. рис. 4, 5). Резистор R13 обмежує струм через світлодіод оптрона, діод VD8 захищає його і емцттерний перехід транзистора VT2 від пробою при появі негативної напруги на виході ОП DA4 (наприклад, у момент включення приладу).

При появі на виведення 1 мікросхеми DD18 напруги з рівнем логічної 1 високий рівень на виході підключеного до нього елемента DD19.4 змінюється низьким. В результаті відкривається транзистор VT4 і світлодіод VD41 починає світитися, сигналізуючи про включення системи ФАПЧ.

Вихідний підсилювач-повторювач (А1) виконаний на комплементарної парі транзисторів VT5, VT10 (рис. 8). Необхідне для роботи транзисторів напруга зсуву створюється на діодах VD46, VD47. Рівень вхідного сигналу регулюють змінним резистором R29.

Ступінчастий аттенюатор (А2) виконаний на резисторах R45-R56. Необхідну ослаблення сигналу встановлюють перемикачем SA4. Незалежно від його положення вихідний опір приладу дорівнює 600 Ом.

Напруга сигналу на виході підсилювача-повторювача (або, що те ж саме, на вході атенюатора) контролюють вольметром змінного струму. Він складається з підсилювача сигналу на транзисторах VT6, VT7, випрямляча на діодах VD15, VD16 і микроамперметра РА1. Підлаштування резистори R42, R43, R44 служать

для калібрування вольтметра при вимірюванні напруг відповідно трикутної, синусоидальной і прямокутної форми.

Принципова схема двополярного джерела живлення наведена на рис. 9. Незмінність вихідних напруг забезпечується інтегральними стабілізаторами МАА7815 (DA6, DA7). Інших особливостей пристрій не має. Струм, споживаний приладом від джерела позитивної напруги, не перевищує 180 мА, отріцательного- ПО мА.

Прилад змонтований в корпусі з листового алюмінієвого сплаву (рис. 10). Він складається з передньої і задньої панелей і двох кришок: верхньої та нижньої. На невеликій відстані від передньої панелі встановлена ​​додаткова панель з листового дюралюмінію з закріпленими на ній перемикачами SA1 – SA4 і змінним резистором R29. Трансформатор харчування ТЛ, тримач запобіжника FU1 і колодка з штепселями для підключення мережевого шнура встановлені на задній панелі. Написи на передній панелі (рис. 11) виконані перекладним шрифтом і захищені прозорим безбарвним лаком.

Більшість друкованих плат приладу забезпечено соединителями WK465-40 і WK462-05, відповідні частини яких змонтовані на друкованій платі з’єднань. На ній же встановлені елементи R27, R28 С61, С62, VD37, VD38, VT8 пристрої

сигналізації (див. рис. 2), резистори R101-R107 вихідного дільника частоти і елементи R10, VT9 перетворювача логічних рівнів (див. рис. 3), а також резистори R17-R20, R108 і конденсатори С15-07, 09 ФНЧ другого фазового детектора (див. рис. 7). Схема з’єднань вузлів приладу між собою зображена на рис. 12.

Креслення друкованої плати та розміщення на ній деталей генератора сигналу зразкової частоти, фазового детектора і Гуна логічної частини приладу показані на рис. 13 (а-вид з боку друкованих провідників, б – З боку установки деталей, в – розташування елементів на платі), дільника частоти із змінним коефіцієнтом ділення – на рис. 14, вихідного декадного подільника

частоти – на рис. 15, перетворювача логічних рівнів і вузла індикації – на рис. 16, аналогового Гуна – на рис. 17, перетворювача трикутного напруги в синусоидальное і другого фазового детектора – На рис. 18, вихідного підсилювача-повторювача і вольтметра – на рис. 19, атенюатора – на рис. 20, джерела живлення – на рис. 21. Плати перетворювача логічних рівнів, атенюатора та джерела живлення виготовлені з одностороннього фольгірован- ного склотекстоліти, всі інші – з двостороннього. Зачорненими кружками позначені отвори, через які пропущені дротові перемички,

*)

Рис. 19 ^

з’єднують друковані провідники одного боку плати з провідниками інший. Креслення плати з’єднань не наводиться, так як її форма і розміри залежать від конструкції приладу, яка може відрізнятися від описуваної. Щоб уникнути замикань отвори в контактних майданчиках, які підлягають з’єднанню з перемикачем SA5 (рис. 14), свердлити не рекомендується.

Друковані плати атенюатора (рис. 20) і перетворювача логічних рівнів з вузлом індикації (рис. 16) закріплені на додатковій панелі корпусу і підключені до плати з’єднань короткими проводами.

Рис. 20

Перемикачі SA2 і SA5 з’єднані з відповідними платами за допомогою мініатюрних рознімних з’єднувачів. Резистори R85-R100 розміщені безпосередньо на друкованих платах перемикача SA5.

Зображені на кресленнях друкованих плат конденсатори Сбл- блокувальні в ланцюгах живлення мікросхем, їх ємність – 0,068 мкФ, на принципових схемах вони не показані.

Слід врахувати, що в гуні аналогової частини приладу в якості інтегруючих (рис. 4, С65-С68; рис. 5, С7-СЮ) небажано використовувати керамічні конденсатори, що володіють значною залежністю ємності від прикладеної до обкладкам напруги. Застосування таких конденсаторів призведе до погіршення лінійності пилоподібного напруги, а отже, і до збільшення коефіцієнта гармонік синусоїдального сигналу.

Резистори для ступеневої атенюатора (R48-R55) підбирають з резисторів з найближчими номіналами або отримують паралельним або послідовним з’єднанням резисторів з іншими номіналами.

У вольтметрі використовується мікроамперметр МР80 зі струмом повного відхилення стрілки 100 мкА.

Для надійної роботи приладу мікросхеми DA6, DA7 і транзистор VT8 бажано забезпечити трубчастими тепловідводами, зігнутими з тонкого (завтовшки 0,5 … 0,8 мм) латунного або мідного листа і щільно надягнутими на їх корпусу.

Налагодження приладу починають з логічної частини. У більшості випадків воно зводиться до налаштування кварцового генератора точно на частоту 100 кГц підлаштування конденсатором С2, а при необхідності і підбором конденсатора СЗ.

Рис. 21

Якщо ж логічна частина не працює, поступають таким чином. Спочатку перевіряють роботу генератора. Можливо, що він генерує на вищій гармонійної частоті. «Змусити» його працювати на потрібній частоті можна підбором резисторів Rl, R2.

Потім контролюють сигнал на виході лічильника DD2.2: фронти імпульсів, що надходять на вхід фазового детектора (висновок 14 DD3), повинні бути крутими, інакше останній не буде працювати. Далі відключають висновок 3 DD3 від виходу елемента DD8.1 і, з’єднавши його з загальним проводом, вимірюють напругу на виводі 13 (воно має бути близько до напруги джерела живлення). При цьому на виводі 4 DD3 (точка G) повинні з’явитися коливання частотою більше 1 МГц, а на виході (на виведення 13 DD8.1) -ігольчатие імпульси. Після відновлення ланцюга ФАПЧ повинен загорітися світлодіод VD40, а на виході елемента DD1.4 (висновок 11) -з’явилося напруга низького логічного рівня з ледь помітними (на екрані осцилографа) голчастими імпульсами.

На вихідних імпульсах логічної частини можуть спостерігатися невеликі викиди, що збільшуються при використанні неекранованого кабелю. Позбутися від них неважко – достатньо в ланцюг сигналу включити котушку, містить приблизно 70 витків дроту ПЕВ-2 0,2, намотаного на корпус резистора TR520 опором 68 Ом і припаяного кінцями до його висновків.

Налагодження аналогової частини приладу більш трудомістке. Спочатку, відключивши неінвертуючий вхід ОП DA4 (див. Рис. 7) від перемикача SA2.3 і резистора R23, подають на нього напруга позитивної полярності і, змінюючи його, перевіряють, виробляє чи ГУН на ОУ DA8, DA9 коливання в заданому діапазоні частот при включенні в ланцюг ООС відповідного інтегруючого конденсатора. Одночасно перевіряють, чи не самовозбуждается Чи при цьому ОУ DA8.

Відновлення порушеного з’єднання повинно привести до спрацьовування ФАПЧ, появі на виході елемента DD19.4 (висновок 11) напруги низького рівня та загорання світлодіода VD41 (див. Рис. 2). Якщо ж спрацьовування не відбудеться, необхідно перевірити наявність імпульсів на виводі 3 мікросхеми DD18, оцінити крутизну їх фронтів.

Потім, переконавшись у тому, що амплітуда сигналів в точках Мі L (рис. 4) не виходить за межі 5,5 … 6 В, переходять до настроювання формувача синусоїдальної напруги (див. Рис. 6). Встановивши движки всіх підлаштування резисторів в положення, відповідне максимальному опору, підключають до точки U один з входів двопроменевого осцилографа. Добившись зображення одного- двох періодів трикутного напруги зі зрізаними вершинами, підбирають такий опір резистора R65, при якому обидві вершини обмежуються при однакових (за абсолютною величиною) напружених (цим компенсується різниця напружень стабілізації стабілітронів VD42, VD43). Після цього на другий вхід осцилографа подають синусоїдальний сигнал тієї ж частоти від зразкового генератора і, поєднавши зображення обох сигналів, спочатку підлаштування резистором R60, а потім і іншими (R70, R71, R74, R75 і т. д.) домагаються того, щоб осцилограми повністю збіглися.

На закінчення калібрують вольтметр змінного струму. Для цього перемикач SA4 (див. Рис. 8) переводять у положення «5 В» і, підключивши до вихідного гнізда осцилограф, встановлюють движок змінного резистора R29 в положення, при якому амплітуда пилкоподібної напруги (перемикач SA3- у верхньому по схемі положенні) на виході дорівнює 5 В. Калібрування полягає в установці (підлаштування резистором R42) стрілки микроамперметра РА1 на крайню позначку шкали. Аналогічно (підлаштування резисторами R43 і R44) калібрують вольтметр в інших положеннях перемикача SA3 (при синусоїдальній і прямокутному сигналах).

Порядок роботи з приладом. Включення його в мережу индицирует світлодіод жовтого світіння VD39. Необхідну частоту в першому піддіапазоні (0,050 … … 1,000 Гц) встановлюють перемикачем SA5, множник (Х1 … Х106) – Перемикачем SA2, необхідний рівень вихідного сигналу (КМОП або ТТЛ) вибирають вимикачем SA1, форму аналогового сигналу – перемикачем SA3. Світіння червоного світлодіода VD40 свідчить про нормальну роботі ФАПЧ логічної частини, а це означає, що частота проходження імпульсів на її виході (XS2) в точності дорівнює встановленої перемикачами SA5 і SA2.

Амплітуду коливань на виході аналогової частини (XS1) грубо регулюють перемикачем SA4, плавно – змінним резистором R29. Світіння червоного світлодіода VD41 свідчить про нормальну роботу другого петлі ФАПЧ: він світиться, поки частота коливань на вихідному гнізді XS1 дорівнює встановленій перемикачами SA5 і SA2.

Коливання прямокутної форми використовують для дослідження частотних параметрів ланцюгів (сигнал проходить через цей ланцюг без спотворень тільки в тому випадку, якщо вона частотно незалежна, будь-яка частотна залежність викличе деформацію фронту, спаду або плоскої вершини імпульсу або проявиться у викидах по фронту і спаду). Трикутним напругою зручно перевіряти нелінійність пристроїв (спотворення на осциллограмме напруги цієї форми добре видно, в той час, як на синусоїдальній сигналі вони важко помітні).

Джерело: Конструкції радянських і чехословацьких радіоаматорів: Зб. статей / Склад .: А. В. Гороховський, В. В. Фролов- Кн. 4.- М .: Радио и связь, 1991.- 208 с .: іл.- (Масова радиобиблиотека. Вип. 1169).