\главная\р.л. конструкции\трансиверы\...

Стабилизация частоты LC  генераторов

У Вас имеется хороший ГПД с чистым сигналом, но частота “уходит”….

В этой статье описывается цифровой метод стабилизации частоты, при использовании которого, можно достичь стабильности, присущей кварцевому генератору. Это простое устройство может быть использовано в новой конструкции или добавлено к уже действующей.

 

  Klaas Spaargaren, PA0KSB(†) Оригинал статьи опубликован в журнале QEX February 1996, pp. 19...23

 

  Главной проблемой для многих пользователей самодельными приёмниками и передатчиками является долговременная стабильность частоты генераторов (гетеродинов). Обычно уход частоты генераторов, связанный с изменением окружающей температуры, уменьшают применением чувствительных к температурным изменениям компонентов, например, конденсаторов с определённым температурным коэффициентом ёмкости (ТКЕ). Но, тем не менее, стабильности частоты, присущей, например, кварцевым генераторам, добиться не удаётся.

 В этой статье описывается цифровой метод стабилизации частоты, при использовании которого, можно достичь стабильности, присущей кварцевому генератору. Это простое устройство может быть использовано в новой конструкции или добавлено к уже действующей.

 

Принцип стабилизации

  Два простых принципа положены в основу стабилизации частоты. Один способ использует цифровой счётчик, который периодически измеряет частоту ГПД. Любое расхождение в значениях измеренной частоты и эталонной, тот час же, приводит к автоматической корректировке частоты ГПД. Простыми средствами этот метод может быть выверен, исследован [ 1 ].

  В этой статье описывается второй способ, в котором используется смеситель для преобразования частоты ГПД в более низкую, которая используется в дальнейшем. Этот способ намного совершеннее предыдущего, упомянутого выше.

 

Основы использования

  Используется специальная конфигурация автоподстройки частоты.

 

Рис. 1. Блок – схема устройства стабилизации частоты.

 

 На Рис. 1 показана блок-схема устройства. Сердцем системы является цифровой смеситель. Частота ГПД смешивается с частотой кварцевой “подставки” для получения низкочастотных импульсов, которые, затем, сравниваются с опорной частотой. Любое изменение частот, вызванное уходом частоты ГПД, приводит к появлению управляющего напряжения, которое компенсирует уход частоты ГПД.

 В качестве цифрового смесителя работает стандартный высокоскоростной КМОП D-триггер. Его работа в качестве цифрового смесителя, может быть, не ясна с первого взгляда. Попытаюсь объяснить.

  В D-триггере информация на входе данных (1 или 0) передаётся (транслируется) на выход Q  по переднему фронту (0/1) тактирующего импульса. В этом случае, тактирующими являются 10-герцевые импульсы, полученные делением от кварцевого генератора.

 Сигнал ГПД подводится ко входу данных триггера. Таким образом, D-триггер действует как цифровая схема выборки и хранения. Поскольку выходная информация может смениться только по нарастающему фронту тактового импульса, выходная частота никогда не превысит частоты в 5 Гц (половины частоты тактовых импульсов), но, при этом, будет определяться двумя входными частотами. Посмотрим, как же…

 Если при каждом прохождении 10-герцевого тактового импульса, сигнал ГПД имеет высокий уровень (или низкий), - но, точно в фазе с тактовыми импульсами, выход также будет иметь высокий (или низкий) уровень. Выходная частота равна 0 Гц.

 Предположим, что частота ГПД немного “ушла”  вверх, скажем, на 1 Гц, на выходе появятся импульсы с частотой 1 Гц. Если частота ГПД будет продолжать увеличиваться, и частота на выходе будет увеличиваться синхронно, вплоть до максимума – 5 Гц. Если частота ГПД продолжает расти, частота на выходе смесителя вернётся к 0 Гц, и будет снова расти, если увеличивается частота ГПД.

 Если мы будем поддерживать постоянным состояние выхода цифрового смесителя, автоматически управляя частотой ГПД, то частота ГПД, также, будет постоянной, стабильной. Мы замкнули петлю автоподстройки частоты.

 При частоте ГПД, которая выше на 10 Гц, цифровой смеситель выдаст точно такую же  частоту  выходных  импульсов. У этого типа петли автоподстройки частоты имеется много рабочих стабильных (опорных) точек с разносом в 10 Гц между этими точками удержания (захвата, защёлкивания).

  В устойчивом состоянии (после вынужденных колебаний после захвата) в петле АПЧ существует постоянное соотношение (N) частот генераторов  плавного диапазона (ГПД) и тактовых импульсов (ГТИ). N - всегда очень большое число.(См. расчёты в Приложении).

  Автоматическое управление частотой ГПД достигается следующим образом:

Частота импульсов на выходе цифрового смесителя (от 0 до 5 Гц) сравнивается с другой частотой импульсов, также имеющей небольшое значение. (И эта частота совсем не обязательно должна быть стабилизирована кварцевым резонатором). Подходящее значение этой частоты 2,5 Гц, как раз посередине для выхода цифрового смесителя. Этот опорный сигнал удобненько производится из того же сигнала от кварцевого генератора, из которого производятся тактовые импульсы частотой 10 Гц (частота тактовых импульсов просто делится на 4).

 Оба сигнала на мгновение замыкают ключи S1 и S2, что выражается в той или иной степени заряда или разряда накопительного конденсатора (С) интегратора, после каждого импульса.

  Выходное напряжение (V) интегратора подаётся на управляемый напряжением конденсатор (варикап) в ГПД. Частота ГПД тоже немного изменяется вверх или вниз после каждого импульса, пока частоты обоих низкочастотных сигналов  уравняются. Частота ГПД жёстко стоит на “захвате” и малейшее её изменение приводит к корректировке частоты вновь (возврату на “старое место”).

 Долговременная стабильность ГПД определяется только кварцевым генератором, из которого получаются  10-герцевые импульсы.

 

Расширенные оперативные возможности

  Существенное улучшение работы схемы стабилизации, всё-таки, возможно. В системе, описанной выше, импульсы коррекции имеют частоту 2,5 Гц. Если бы было возможно увеличить эту частоту, и, одновременно, оставить точки захвата через 10 Гц, то можно было бы корректировать частоту ГПД при более быстром её уходе; или при том же уходе частоты, чаще производить сравнение, что обеспечит меньшее “качание” частоты ГПД (фазовый шум) за один период подстройки (коррекции) частоты в системе АПЧ.

  Это, как раз, то, что происходит в системе, показанной на Рис. 2.

 

Рис. 2. Блок – схема модернизированного устройства стабилизации частоты.

 

 Главное различие между Рис. 1 и Рис. 2 - местоположение делителя М. Кварцевый генератор обеспечивает сигнал частотой 50 МГц для цифрового смесителя. Предположим, что частота ГПД 5 МГц делится делителем М2 на 50000. Это обеспечит на тактирующем входе D-триггера частоту 100 Гц. Максимальная частота на выходе последнего будет равна, при этом, 50 Гц, т. е., в 10 раз больше, чем в случае, описанном выше. Простые арифметические расчёты показывают, что точки захвата остались на “прежнем месте”, т. е., находятся также через 10 Гц. N – отношение между частотами кварцевого генератора и выходной частотой делителя М2. В нашем примере N = 500000 при  коэффициенте деления М2 = 50000.

  Если система находится в уравновешенном состоянии (стабильна), выполняется следующее соотношение:

 

Отсюда следует:

 

 

При этом частота ГПД будет равна 5000000 Гц. Следующая стабильная точка (точка стабилизации, точка захвата) будет при N = N + 1 = 500001. Снова, используя уравнение Eq 2, получим частоту ГПД = 4999990 Гц, что даёт расстройку в 10 Гц. (В Приложении показано, что расстройка зависит от N и здесь составляет 10 Гц).

Примечание:VFO = ГПД. XTAL – кварцевый генератор.

 

Практическая работа

 Во время обычной ручной перестройки частоты ГПД, автоподстройка частоты не работает, поскольку последняя работает медленно, инерционна. После окончания ручной настройки частота “цепляется” за ближайшую точку захвата (стабильную опорную точку в частотной сетке 10 Гц), которая, в худшем случае, расположена выше или ниже по частоте на 5 Гц. (Люди с абсолютным музыкальным слухом могут заметить такую разницу, но я не смог). Конечно, действие управляющей системы (контроллера) должно быть быстрым и не допускать большого выбега частоты. Каждый корректирующий импульс, поступающий на интегратор, должен изменять частоту ГПД менее, чем на 1 Гц. Не будете же Вы бегать за его частотой…

 

Приемлемое расстояние между стабильными точками.

  В описанной системе частотное расстояние между стабильными точками составляет 10 Гц. Считаю, что расстояние между этими точками может быть увеличено (приемлемо) до 40 Гц. Это означает, что имеется свобода действий при разработке и частота ГПД и кварцевого генератора может варьироваться в довольно широких пределах.

 В практических системах автоподстройки частоты, описанных ниже, расстояние между стабильными точками изменяется от 15,9 Гц до 19,2 Гц, при изменении частоты ГПД от 5,0 до 5,5 МГц.

 

Рассмотрим схему

  Практическая схема показана на Рис. 3.

 

Рис. 3. Устройство стабилизации частоты. Схема принципиальная электрическая. ГПД не показан.

 

Два последовательно включенных двоичных счётчика-делителя U1 и  U2 делят частоту ГПД на 32768 пятнадцатью ступенями (7 – в U1 и 8 - в U2). Это формирует тактирующие импульсы для D-триггера типа 74НС74 – U3A. (В микросхеме используется только один из двух имеющихся триггеров).

 Кварцевый генератор работает на частоте 48 МГц. Я использовал резонатор на 16 МГц на третьей гармонике в схеме, взятой из Solid State Design for the Radio Amateur [ 2 ]. Я добавил диодный детектор, чтобы можно было измерять амплитуду напряжения 48 МГц от “пика до пика”.

  Ключи S1 и S2, обозначенные на Рис. 1 и Рис. 2, образованы транзисторами Q1 и Q2. Они в нормальном состоянии выключены (разомкнуты). Время их включения очень короткое и определяется дифференцирующими RC цепочками в их базах, составляет менее 1 мсек на импульс. Через высокоомные резисторы сопротивлением 4,7 Мом выходное напряжение интегратора  незначительно изменяется после каждого импульса. Диапазон изменения выходного  напряжения интегратора, вообще-то, составляет 0…10 В. После включения питания, его значение находится где-то в середине этого диапазона. Небольшое колебание выходного сигнала интегратора, вызванное корректирующими импульсами сглаживается RC фильтром  перед подачей на варикап ГПД.

   В случае, если выходное напряжение будет иметь крайнюю величину (0 или 10 В), его можно вернуть в прежнее центральное состояние кратковременным нажатием на кнопку S3. Я советую монтировать кнопку S3 на передней панели аппарата в котором будет работать устройство стабилизирующее частоту. Нажимайте кнопку всякий раз, когда захотите изменить частоту настройки ГПД.

  Детально не стоит расписывать схему ГПД и прилегающих к нему буферных каскадов, но нужно помнить одно: диапазон перестройки частоты варикапом должен быть больше частотного дрейфа. Достаточной крутизной перестройки частоты является 1 кГц на вольт. Действующая фаза напряжения на варикапе не является важной (петля АПЧ будет максимально стабилизировать выходное напряжение цифрового смесителя в положении близком к 0 Гц). – напрашивается утверждение с точностью до фазы – UA9LAQ.

  Амплитуда сигнала ГПД (аналогового) на входе первого “цифрового” каскада должна составлять примерно 4 В “от пика до пика”. Входной импеданс цифровых каскадов высок.

 Схема устройства стабилизации частоты - контроллера питается напряжением 12 В, потребляя, при этом, ток 20 мА и имеет встроенный стабилизатор напряжения 5 В (U5), от которого питаются кварцевый генератор и цифровые микросхемы.

 

Конструкция

  Для монтажа описываемого устройства стабилизации частоты (контроллера) я использовал метод “некрасивой конструкции”, описанный в справочнике ARRL за 1995 год (Я предпочитаю называть это “технологией поверхностного монтажа любительского типа”).

  Я расположил на куске фольгированного стеклотекстолита микросхемы перевернув их “вверх тормашками”. Выводы питания всех микросхем развязал на корпус керамическими конденсаторами ёмкостью 0,01 мкФ, что, вместе с выводами питания, соединяемыми с корпусом, позволило механически стабилизировать все микросхемы. Для обеспечения необходимых соединений я использовал тонкий изолированный провод, который припаивал непосредственно к выводам микросхем.

  В качестве катушки для обертонного кварцевого генератора я использовал подходящий дроссель индуктивностью 0,22 мкГн. Бескаркасная катушка, имеющая 6 витков провода, намотанная на оправке диаметром ¼ дюйма с длиной намотки ½ дюйма также будет работать здесь хорошо. (1 дюйм = 25,4 мм).

  Конденсатор ёмкостью 2,2 мкФ в схеме интегратора должен иметь минимальную утечку, лучше применить, например, поликарбонатный тип. (При уменьшении размеров, обычно, советуют применять оксидно-полупроводниковые конденсаторы серии К53 - UA9LAQ). Резисторы, соединённые со входом микросхемы U4, должны иметь короткие выводы и быть присоединёнными непосредственно к выводам микросхемы.

  Я предлагаю смонтировать устройство в небольшой металлической коробке, во избежание воздействия на него сигналов передатчиков и влияния наводок на цепи приёмников со стороны КМОП-микросхем, работающих в стабилизаторе частоты.

 

Настройка и проверка

  Единственным элементом настройки является подстроечный конденсатор с максимальной ёмкостью 40 пФ в схеме обертонного кварцевого генератора 48 МГц. Наличие генерации проверяется в контрольной точке Т по наличию постоянного напряжения, величина которого должна быть около 4 В. Амплитуда напряжения в этой точке может быть установлена подстроечным конденсатором, точное значение частоты не важно. После того, как все соединения осуществлены, устройство должно заработать. Если это не так, проверку следует провести индивидуально для каждой цепи и в следующем порядке: при частоте ГПД равной 5 МГц, на выходе микросхемы U1 (выводе 6) должна быть частота 39 кГц, а на выходах U2 (выводах 15 и 14) - 152 и 38 Гц, соответственно. Для проверки правильной работы микросхем, кроме осциллографа можно применить и мультиметр. Если U1 и U2 работают правильно, то на их выходах должны присутствовать импульсы прямоугольной формы и вольтметр постоянного тока, подключенный к ним должен показывать напряжение 2,5 В. Если микросхемы не работают, напряжение на их выходах будет равно 0 или 5 В.

  Интегратор и действие варикапа в схеме ГПД также могут быть проверены. Измерьте выходное напряжение постоянного тока на интеграторе (контрольная точка V). Импеданс в этой точке низкий, так  что подойдёт любой мультиметр.

  Отсоедините резисторы сопротивлением 4,7 Мом от Q1 и Q2 и нажмите кнопку S3. Выходное напряжение станет равным 5 В. На несколько секунд соедините точку А с корпусом. Выходное напряжение будет возрастать на 1 В каждые 4,4 секунды. Когда точка А не замкнута на корпус выходное напряжение не должно изменяться (остаётся на последнем, достигнутым им уровне).  Соединение точки А с “плюсом” 12 В даёт противоположный результат, но переключение выходного напряжения происходит несколько быстрее, чем в предыдущем случае. Если выходное напряжение изменяется в пределах от 5 до 6 В, частота ГПД должна измениться примерно на 1 кГц. В нормальном состоянии точка А не замыкается на корпус и ни с чем не соединяется – остаётся свободной, используется только при проверке.

  Проверка частотного дискриминатора может проходить в следующем порядке: присоедините (отсоединённый ранее) резистор сопротивлением 4,7 Мом к транзистору Q2. Выходное напряжение интегратора будет уменьшаться, примерно, на 1 В каждые 100 секунд. Резистор 4,7 Мом, подключенный к Q1, даст противоположный результат. Частота ГПД должна оставаться стабильной при присоединённых резисторах (4,7 МОм) к обоим транзисторам и незамкнутой точке А.

(Это изменение напряжения 1 В за 100 секунд соответствует изменению частоты ГПД на 1 кГц за 100 сек. Это является максимальной величиной дрейфа частоты, который может быть скорректирован. За 100 сек будут  сгенерированы 3800 корректирующих импульсов, так что, изменение частоты ГПД будет соответствовать 0,26 Гц, в расчёте на один корректирующий импульс).

  Величины, приведённые выше - типичны. Из-за допусков в компонентах, результаты до +/- 50% от приведённых являются полностью приемлемыми на практике.

 

Полученные результаты и продолжение экспериментов

  Я применял устройство, схема которого приведена на Рис. 3 со многими LC генераторами, включая работающие на 38  МГц. Во всех случаях, я был в состоянии получить стабильные колебания без ухода  частоты.

  В этой разработке я применял интегральные схемы серии 74НС. Микросхемы серии 74НСТ также работали прекрасно без каких-либо изменений в схеме включения.

  В соответствие с техническими данными на микросхему 74НС74, максимальная частота переключения её составляет 76 МГц (для 74НСТ74 - только 59 МГц) и максимальная входная частота для 74НС(Т)4060  составляет 88 МГц. Мои же экземпляры микросхем работали до 95 МГц. Это означает, что предлагаемая схема стабилизации частоты может быть использована при значительно больших частотах ГПД и кварцевого генератора, чем приведено в статье. Чтобы проверить эту возможность, я собрал LC генератор на 38 МГц в комбинации с обертонным кварцевым генератором на 80 МГц (другая разработка по Рис. 3). В этом случае М = 1048576 (двадцать двоичных каскадов деления, выход с первой микросхемы брался с вывода 1, вместо вывода 6. Знайте, что в микросхеме 4060 имеются выводы не от всех каскадов деления частоты). На 38 МГц я нашёл заслуживающий внимания расклад стабильных точек, которые располагались с интервалом в 17,2 Гц. После холодного старта (после включения питания), буквально, через несколько секунд АПЧ захватила частоту ГПД на стабильной точке и оставалась на ней часами.

  Качество самого LC генератора должно быть очень хорошим: прослушиваемый тон должен оцениваться на Т9 (шкала RST) без ощутимого шума, дрожания, микрофонного  эффекта, частота не должна уходить от прикосновения рук к корпусу ГПД (экранированному) и т. д., с единственным недостатком - медленным уходом частоты.

  Как и всё на этой Земле, так и этот принцип стабилизации частоты не идеален. Имеется два недостатка. Одним из них является тот, что не позволяет при включенной стабилизации частоты использовать разнесённые частоты (split) или функцию расстройки относительно основной частоты (RIT). После многочисленных скачков с одной частоты на другую, ГПД может потерять свою первоначальную стабильную (опорную) точку. Второй недостаток: при фиксированном значении индекса М, расстояние между стабильными опорными точками изменяется согласно квадрату изменения частоты ГПД, делая систему неприемлемой для многодиапазонного ГПД (или ГПД с большим перекрытием по частоте -  UA9LAQ).

В последнем случае, индекс М должен быть величиной переключаемой, что усложняет конструкцию стабилизатора.

 

Заключение

  С помощью этой простой, недорогой схемы стабилизатора частоты можно достигнуть стабильности кварцевого генератора от обычного LC  генератора, проведя тщательную его настройку.

                   

Приложение. (Любителям математических выражений…)

 На Рис. А показана упрощённая блок схема системы стабилизации. Упрощение касается выхода частотного компаратора, который принят здесь равным 0 Гц, который является низкой частотой в действующей системе. Разница для приводимых расчётов несущественная.  Делитель N на Рис. А в реальной схеме отсутствует; он замещает отношение двух частот на входах цифрового смесителя.

  Следующее отношение сохраняется для петли АПЧ:

 

Следующая опорная точка определяется как N=N+1. Разница D между частотами опорных точек тогда будет иметь вид:

 

 

Выражение в скобках можно записать как:

 

Если N имеет малую величину, то выражение с небольшим допуском может быть упрощено:  

 

 

Из уравнения 1 (Eq1) следует, что:

 

 

Подставляя уравнение 4 (Eq4) в уравнение 3 (Eq3) получаем:

 

 

Подставляем реальные величины, используемые в реальной системе (Рис. 3):

 

 

Эти значения дают расстояние между опорными точками:

 

 

Для ГПД с частотой 5,5 МГц мы получаем:

 

 

Частоты корректирующих импульсов равны частотам тактирующих импульсов / 4 = 38,14 Гц на 5 МГц и 41,96 Гц на 5,5 МГц.

Метод расчёта для других частот:

  Даны частоты ГПД и обертонного кварцевого генератора в МГц и желаемое расстояние между опорными точками D в Гц. Рассчитываем  М:

 

 

Выберите ближайшую из двух точек и проверьте, что D имеет значение меньше, требуемого:

 

 

 

Если D  сильно отличается от желаемого значения, возьмите ближайшее большее значение для M  и повторите расчёт  D.

Пример: ГПД работает на частотах 37…38 МГц, а кварцевый обертонный генератор - 80 МГц. Желаемое расстояние между опорными точками D = 20 Гц. Рассчитываем М:

 

 

Выберем М = 1048576 (20 – каскадный (разрядный) двоичный счётчик). Рассчитываем D для 37 и 38 МГц, что составит, соответственно, 16,3 и 17,2 Гц. Поскольку D ниже требуемой величины  20 Гц на протяжении всего диапазона, перекрываемого ГПД, то величина M выбрана правильно.

 

 

Рис. А. Упрощённая блок – схема петли автоподстройки частоты. Up / Down Control Signal - сигнал управления частотой “выше / ниже”.

 

Литература: 1. Spaargaren, Klaas, PA0KSB, Ham Radio, Dec. 1977. (Этот материал до

              сих пор печатается в изданиях Справочника RSGBRSGB Radio

              Communication Handbook).

         2. Solid State Design for the Radio Amateur – опубликовано ARRL (США).

 

 

Свободный перевод с английского:    Виктор Беседин (UA9LAQ)  ua9laq@mail.ru
г. Тюмень              январь, 2003 г

Возврат