Генераторы

В среде начинающих радиолюбителей -конструкторов часто возникают проблемы с управлением частотой различных генераторов, в том числе и задающих генераторов (ЗГ) радиопередающих устройств. В этой статье предлагаю вашему вниманию несколько вариантов простых схем управления частотой генераторов, которые, на мой взгляд, недостаточно широко описывались в радиолюбительской литературе.

 

Простая схема электронной настройки

Перестройка частоты задающего генератора передатчика с параметрической стабилизацией частоты обычно выполняется при помощи конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком. Иногда применяется перестройка частоты изменением индуктивности контурной катушки ЗГ.Очень удобно перестраивать частоту задающих генераторов электронным способом - с помощью варикапа или, что лучше, варикапной матрицы. Одна из распространенных схем электронной перестройки показана на рис. 1.

В качестве матрицы здесь используются два отдельных варикапа, включенные навстречу друг другу В итоге такая схема эквивалентна схеме варикапной матрицы. Благодаря встречному включению варикапов для переменного тока уменьшается зависимость частоты от амплитуды высокочастотного напряжения.

Если используется собственно варикапная матрица, то параметры контура для неё не сложно рассчитать. Например, у КВС111Б емкость изменяется от 20 до 40 пФ при изменении смещения от +9 до +2 В. Изменение емкости составляет 20 пФ Если перекрытие по частоте должно быть, скажем, 6%, то необходимое изменение емкости составит 12 % (вдвое больше, так как индуктивность контура не изменяется). Отсюда находим полную емкость контура С = 20 пФ/0,12 =167 пФ. Индуктивность контура рассчитывается по известной Формуле Томсона:

Чтобы не ухудшилась стабильность частоты, напряжение смещения варикапов должно быть очень хорошо стабилизировано и отфильтровано, Это очень важно. Для небольшой перестройки контура вместо варикапов можно использовать обычные кремниевые диоды. Но в этом случае диоды должны подбираться под нужную величину перекрытия по частоте. Дело в том, что не у всех однотипных диодов собственная емкость при изменении запирающего напряжения изменяется на одну и ту же величину.

На рис 2 показана схема электронного сдвига частоты, что очень часто используется при переходе с приема на передачу. Например, при приеме генератор должен выдавать частоту 133,3 МГц, а при передаче - 144 МГц.

Варикап в этом случае подключается через конденсатор небольшой емкости, поскольку требуемый сдвиг частоты невелик. В верхнем положении переключателя S1 (передача) на

варикап подается фиксированное напряжение смещения с делителя R3R4 При переходе на прием (нижнее положение) смещение изменяется переменным резистором R5, сдвигая частоту. Пределы перестройки можно подобрать, изменяя емкость конденсатора С5 или соотношение сопротивлений делителя R2.. R6.

На рис. 3 в качестве иллюстрации к теме об электронной перестройке частоты показана действующая схема генератора с одним из возможных вариантов электронной перестройкой частоты. Электронная перестройка частоты выполняется переменным резистором R4. В качестве варикапов используются диоды VD2 и VD3 типа Д220. Вместо этих диодов можно использовать также диоды многих других типов.

Кварцевый генератор с изменением частоты

Далее я хочу рассказать о том, как можно выполнить стабилизированный кварцем генератор с плавным изменением частоты. Подобные генераторы стали применяться радиолюбителями с 70-х годов прошлого столетия, но достаточно подробного описания методов построения и настройки подобных генераторов я нигде в любительской литературе не встречал. Ниже мною будут приведено описание экспериментов с одним из вариантов подобного генератора, затем будут даны рекомендации по разработке кварцевого генератора с плавным изменением частоты.

Чтобы выявить роль и влияние катушки индуктивности в процессе плавного изменения генерируемых кварцевым генератором частот электромагнитных колебаний, мною был построен небольшой стенд, основу которого представлял экспериментальный кварцевый генератор (КГ).

Генератор выполнен по схеме индуктивной трехточки. Схема генератора представлена на рис. 4.

Генератор выполнен по схеме емкостной трехточки и не имеет каких либо особенностей. Транзистор VT1 выполняет функцию собственно генератора, частота генерируемой энергии которого стабилизирована кварцем Z1, а каскад на VT2 является эмиттерным повторителем, который служит для уменьшения влияний цепи измерительного прибора А1 на частоту генератора. Катушка индуктивности L1 и конденсатор С1 служат для изменения частоты генерируемых электромагнитных колебаний. Питается генератор от стабилизированного источника напряжения +9 Вольт.

Конденсатор С1 имеет величину 75 пкФ, катушка L1 состоит из 45 витков провода ПЭЛ-0,3, намотана на каркасе диаметром 9 мм, между щечками с расстоянием 5 мм. Катушка имеет подстроечный сердечник серого цвета (по-видимому из альсифера) с резьбой Мб х 0,75. Число витков катушки L1 выбрано по результатам проведенных ранее других подобных экспериментов.

 

В схеме использовался кварц А523 (7,692 МГц) от старинной УКВ радиостанции РСИУ. корпус которого представляет собой пластмассовый цилиндр коричневого цвета, диаметром 20 мм и длиной 40 мм с двумя выводами от держателей кварцевой пластины. Все остальные радиодетали каких либо особенностей не имеют, обычный «ширпотреб».

В качестве прибора для измерения излучаемой генератором частоты использовался связной коротковолновый радиоприемник Р-250М. Контроль за наличием генерации электромагнитных колебаний осуществлялся вольтметром переменного тока А1 Рассмотрим подробно процесс проведения эксперимента.

   Сначала следует убедиться в работоспособности генератора. Для этого нижний по схеме вывод от кварца подключаем непосредственно к земле, включаем питание и по приемнику находим излучаемый генератором сигнал При этом радиоприемник должен находиться в режиме приема телеграфных сигналов, чтобы можно было наиболее точно настраиваться на частоту излучаемых колебаний по нулевым биениям Нулевые биения соответствуют такой настройке приемника, когда на выходе радиоприемника никаких звуковых сигналов не прослушивается, но стоит только хотя бы немного повернуть ручку настройки приемника в ту или иную сторону, то тут же на выходе приемника появляется гармонический звуковой сигнал. Вольтметр А1 должен показывать какую-то величину, подтверждающую работу генератора. Записываем величину излучаемой частоты.

   Восстанавливаем подключение катушки L1 к нижнему выводу кварца. При этом подстроечный сердечник должен быть полностью выведен из катушки, те. катушка должна иметь минимально возможную для нее величину индуктивности Включаем питание. При этом вольтметр А1 должен сразу же подтвердить работу генератора. Частота излучаемых генератором колебаний при этом включении несколько (незначительно) должна измениться по сравнению с предыдущим включением. Настраиваем радиоприемник на новую частоту по нулевым биениям, записываем величину этой частоты и присваиваем ей номер 1. Вводим в корпус катушки подстроечный сердечник. Делать это следует очень осторожно и медленно, чтобы не пропустить момент возникновения на выходе радиоприемника гармонического звукового сигнала, подтверждающего факт начала влияния сердечника на индуктивность катушки. Как только появится сигнал, следует повернуть сердечник в обратную сторону, до момента отсутствия сигнала.

*    Далее начинается основной этап проведения эксперимента. Для этого вводим подстроечный сердечник в катушку ровно на один оборот сердечника. При этом изменится индуктивность катушки, что повлечет за собой изменение частоты излучаемых генератором электромагнитных колебаний. Записываем новую величину частоты под номером 2.

*    Вводим подстроечный сердечник в катушку еще ровно на один оборот и записываем новую величину частоты по номером 3.

*    Точно таким же образом вводим сердечник в катушку еще на один оборот и записываем новую величину частоты под следующим порядковым номером. Такую процедуру следует проводить несколько раз При этом постоянно необходимо контролировать наличие показаний вольтметра А1. Если стрелка вольтметра упала до нуля, значит генератор перестал работать и эксперимент считаем законченным.

В моем случае удалось до прекращения генерации ввести сердечник внутрь катушки на 10 оборотов. Результаты проведенного мною эксперимента приведены в таб 1. Каждое из полученных значений частоты соответствует определенной величине индуктивности катушки, заданной положением подстроечного сердечника, и определенной величиной емкости конденсатора С1. Если вместо постоянного конденсатора величиной 75пФ установить конденсатор переменной емкости 4- 75 пФ, то при минимальной емкости этого переменного конденсатора (4 пФ) излучаемая генератором частота будет равна максимально возможной частоте, т.е. очень близкой к частоте в шаге 1 (7,962 МГц для данного случая).

При максимальной частоте переменного конденсатора (75 пФ) частота генерируемых колебаний будет определяться положением подстроечного сердечника внутри катушки. Например, если индуктивность катушки соответствует положению шага 5, то при максимальном емкости переменного конденсатора генерируемые колебания будут иметь частоту 7.957 МГц. При изменении емкости переменного конденсатора от минимума (4 пФ) до максимума (75 пФ) частота генерируемых кварцевым генератором электромагнитных колебаний будет плавно изменяться от 7,962 до 7.957 МГц, те диапазон изменения частоты составляет 7,962 - 7,957 = 0,005 МГц = 5 кГц.

Максимально возможный диапазон перестройки частоты для данного кварца будет иметь место при максимально допустимой индуктивности катушки L1. В данном случае максимально допустимая индуктивность получается в шаге 10. При этом максимально возможный диапазон перестройки частоты получается 7,961 - 7,771 = 0,090 МГц = 90 кГц. Это довольно большой диапазон перестройки, но следует помнить, что с увеличением диапазона перестройки ухудшается стабильность частоты кварцевого генератора. В каждом отдельном случае нужно находить какую то оптимальную величину диапазона перестройки исходя из допустимой для создаваемого аппарата стабильности генерируемой частоты. Как правило, радиолюбитель использует только какой-то узкий диапазон частот Например, любитель дальних связей телеграфом постоянно работает только на DX-участке диапазона, владелец пакетной радиостанции станции, работающей постоянно в составе любительской пакетной сети, использует практически одну фиксированную частоту. Если учесть, что коротковолновый любительский диапазон имеет ширину 100 кГц, то иметь исключительно простой в изготовлении и наладке кварцевый генератор с плавным изменением частоты в пределах 50 кГц это находка для радиолюбителя, не желающего возиться со сложнейшими схемами синтезаторов.

Большие возможности дает принцип плавного изменения частоты кварцевых генераторов при построении УКВ гетеродинов. Дело в том, что в этих гетеродинах используются каскады умножения частоты. При этом диапазон перестройки частоты при переходе от одного каскада к другому увеличивается пропорционально увеличению частоты. Например, после

Таблица 1.

Шаг	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Частота, МГц	7,962	7,961	7,960	7,959	7,957	7,953	7,944	7,924	7,843	7,771

удвоения частоты диапазон перестройки увеличивается в два раза, после утроения частоты - в три раза и т.д..

Дальнейшее расширение диапазона плавной перестройки частоты кварцевого генератора можно получить путем подключения параллельно кварцу Z1 еще нескольких аналогичных кварцев. Один из вариантов построенного по этому принципу генератора описан В. Артеменко (UT5UDJ) в статье «ГПД на основе перестраиваемого кварцевого генератора», опубликованной в журнале «Радиомир. КВ и УКВ» №3 за 2003 год.

Мною проведен ряд экспериментов, в которых использовалось параллельное подключение нескольких кварцев. При этом использовалась экспериментальная установка, схема которой приведена на рис 4. Несколько изменена была только цепочка, состоящая из Z1, L1 и С1.

На рис. 5 показано, что параллельно кварцу Z1 могут быть подключены точно такие же по номиналу кварцы (Z1а, Z16 и Z1b), изготовленные одним и тем же предприятием. Катушка L1 должна быть подобрана именно для примененного в данный момент кварца Z1. К нижнему по схеме выводу катушки L1 подсоединены четыре конденсатора постоянной емкости (С1а, С1б и С1в), которые переключателем S1 могут поочередно подключаться на землю. Это как бы своеобразный имитатор конденсатора переменной емкости, созданный их элементов с фиксированной емкостью

Продолжим далее описанный выше эксперимент с целью определить влияние числа подключенных параллельно одинаковых кварцев на ширину диапазона плавной перестройки кварцевого генератора.

Мною было проведено много экспериментов с различными кварцами. Не все кварцы

«с распростертыми объятиями» принимали подключаемого к нему соседа, но большинство из них прилично работали с одним или двумя параллельными кварцами. Лучше других допускали параллельное подключение высокочастотные кварцы (13,5 . 22,5 МГц), конструктивно выполненные в малогабаритных металлических корпусах. Кварцы от радиостанции РСИУ (в цилиндрических карболитовых корпусах) работали не более чем с двумя параллельно подключенными такими же кварцами. Высокочастотные кварцы в малогабаритных металлических корпусах хорошо работали даже с тремя параллельно подключенными кварцами, но при этом тон биений становился дребезжащим и ухудшалась стабильность генерируемой частоты.

На рис. 6 приведены графические зависимости частоты генерируемых колебаний от количества подключенных параллельно одинаковых кварцевых резонаторов на частоту 22,5 МГц.
Кривая 1 на рис. 6 получена при единственном кварце, кривая 2 - при двух параллельно подключенных кварцах, кривая 3 - при трех кварцах и кривая 4 - при четырех кварцах.

Ширина диапазона генерируемых частот при четырех подключенных кварцах впечатляет, но сигнал становится дребезжащим и стабильность резко ухудшается. Однако в некоторых случаях подобными явлениями стоит пренебречь, уделив побольше внимания жесткости конструкции генератора, жесткому креплению самого кварца и катушки L1.

Тяпичев Г А.