Записки программиста

После изготовления нескольких сравнительно простых трансиверов (первый, второй, третий) мне захотелось сделать что-то более основательное. Что-то похожее на uBITX, только с работающим УНЧ, телеграфным фильтром, а также АРУ, S-метром и что еще удастся уместить. Чтобы как-то отличать проект от других моих поделок, было выбрано обозначение HBR, от «HomeBrew Radio».

Прикинув возможные варианты, я остановился на такой структурной схеме:

Это супергетеродин с одной ПЧ, основанный на двунаправленных усилителях по схеме W7ZOI и K3NHI. Я подумывал сделать две ПЧ, как в uBITX, но в итоге отказался от этой затеи. Две ПЧ означают лишние буферы-усилители, а это дополнительные шумы и потребление тока. Кроме того, возникают некоторые сложности в отношении динамического диапазона — для любого допустимого уровня входного сигнала ни один из усилителей не должен уходить в компрессию. Плюс аналогичная проблема на передачу. В общем, я пришел к выводу, что куда проще сделать по одному ДПФ на диапазон.

Fun fact! Изучив схему uBITX, вы обнаружите, что автор решил названные проблемы очень просто — подзабив на буферы между смесителями и фильтрами. Чем это чревато ранее разбиралось в заметке о диодных кольцевых смесителях.

На проект ушло полтора месяца. В результате получился такой трансивер:

Алюминиевый корпус 200x178x62 мм обошелся на eBay в 39$ включая доставку. Дороговато, но самому гнуть корпуса мне уже надоело. Плюс было обнаружено, что самодельные корпуса из тонкого алюминия не особо устойчивы к падению со стола. А задача корпуса как раз заключается в защите его содержимого от подобных событий. Корпус может быть переиспользован между проектами, поэтому его следует рассматривать как долгосрочное вложение.

В трансивере использованы следующие компоненты: микроконтроллер STM32F103 (плата Blue Pill), Si5351, ЖКИ 1602, роторный энкодер, EEPROM-чип 24LC64. К плате с МК был припаян формирователь сброса MCP100-315DI, как ранее было описано в посте о супергетеродинном приемнике. Нужен ли он на самом деле, я не выяснял.

УНЧ на LM386, смесители самодельные, АРУ по схеме WA7JHZ, кварцевые фильтры для SSB и CW — те, что были описаны в одной из недавних заметок. Генератор тона для телеграфа — на LM741 по схеме с мостом Вина. Усилитель для микрофона практически идентичен тому, что использовался в более раннем SSB-трансивере. Переключение RX/TX сделано на полевых транзисторах IRF4905.

Усилитель мощности как в uBITX, но на транзисторах КТ3142А и RD15HVF1. Если вы не планируете работать выше 21 МГц, то сойдет и оригинальная схема на 2N3904 и IRF510. Все реле — обычные 12-и вольтовые. В моем экземпляре применены HFD27/012-S, но это не принципиально. Вообще, я стремился сделать конструкцию повторяемой. Все компоненты легко доступны или могут быть заменены аналогами.

По функционалу:

• Есть телеграф и SSB. В своем экземпляре вы можете убрать поддержку того, чем не планируете пользоваться;
• Теоретически, трансивер работает на восьми КВ-диапазонах. Однако мой экземпляр имеет ДПФ только на 80, 40, 20 и 10 метров, потому что эти диапазоны есть в моей текущей антенне. Зарезервировано место еще под четыре ДПФ;
• Имеется встроенный динамик 8 Ом 1 Вт;
• Один из усилителей приемного тракта сделан отключаемым. Это увеличивает динамический диапазон трансивера, а также делает работу более комфортной в условиях QRM;
• Реализована расстройка частоты приема (RIT) и передачи (XIT). Расстройка может быть до ±9990 Гц;
• Встроенный электронный телеграфный ключ. Скорость регулируется от 10 до 30 WPM. Электронный ключ может быть выключен для работы на вертикальном ключе или «баге». Настойки хранятся в EEPROM;
• Предусмотренны S-метр, АРУ, отображение напряжения питания. S-метр довольно точен для сигналов с уровенем ≥ S3, но сигналы с меньшим уровнем он не определяет;
• Реализован режим установки correction factor для Si5351. Для входа в этот режим нужно зажать кнопки BAND и MODE при включении трансивера. Сигнал с частотой 10 МГц подается на неиспользованный канал Si5351. Настройки хранятся в EEPROM;
• Если при включении трансивера зажать кнопки CLAR и KEYER, будет произведено сканирование шины I2C. Адреса найденных устройств выводятся на ЖКИ;
• Зарезервировано немного места под доработки. Например, можно добавить КСВ-метр или встроенный цифровой интерфейс;

Трансивер задуман преимущественно как стационарный, и не оптимизирован по размеру, весу или потреблению тока. Он рассчитан на питание от 13.8 В. На прием HBR потребляет 325 мА в телеграфе и 380 мА в SSB. На передачу в пике потребляется ~1.5 A. Выходная мощность составляет 5-7 Вт в зависимости от диапазона. Трансивер допускается питать от Li-Ion аккумулятора 3S. Выходная мощность составляет 3.5-5.0 Вт при напряжении 12.6 В и 0.9-1.7 Вт при 9 В.

Так компоненты разместились внутри корпуса:

В трансивере две основные платы. Верхняя плата имеет размер 15x15 см. От нижней платы ее отделяют четыре латунные стойки высотой 25 мм. Плата крепится к стойкам при помощи болтов M3. На верхней плате расположен УМ, ФНЧ, а также пара реле для их обхода. Пустое место слева вверху на самом деле не пустое. Здесь располагается динамик. Он прикреплен к верхней крышке корпуса.

Остальные компоненты размещены на нижней плате. Слева внизу расположено все, что касается работы со звуком — УНЧ, АРУ, микрофонный усилитель, генератор тона для телеграфа и S-метр. По центру можно видеть три шины, слева направо — TX_12V, 12V и RX_12V. С правой стороны расположены двунаправленные усилители, кварцевые фильтры и смесители. Есть немного свободного места, которое может быть использовано под КСВ-метр или иную доработку. Вся цифровая часть сосредоточена справа внизу. Слева вверху можно видеть четыре ДПФ, а также зарезервированное место еще под четыре ДПФ.

Тестовые радиосвязи были успешно проведены в телеграфе и SSB на разных диапазонах. Корреспонденты дают обычные рапорты для QRP, отмечают разборчивость и хорошее звучание в SSB. При работе в телеграфе на общий вызов в течение получаса радиатор едва греется. Руку на нем можно держать сколь угодно долго. Трансивер переживает работу с высоким КСВ. Напомню, что в телеграфном участке диапазона 80 метров КСВ моей текущей антенны может достигать значения 5.

Само собой разумеется, перед выходом в эфир было проведено множество тестов с анализатором спектра, осциллографом и другими доступными мне инструментами. У трансивера все в порядке как с чувствительностью, так и с избирательностью. Побочные продукты хорошо подавлены, и IMD на приемлемом уровне. CW-сигнал без кликов. SSB-сигнал пока что самый чистый, какой мне удавалось получить.

Схему трансивера вы можете скачать здесь [PDF], а исходники прошивки — здесь. На схеме вы обнаружите некоторое количество конденсаторов 100 нФ и 10 нФ в местах, где раньше они не использовались. Конденсаторы были добавлены в процессе борьбы с паразитными колебаниями, возникающими при работе на передачу. Конденсаторы 100 нФ добавлялись в места, где ожидается постоянное напряжение, а 10 нФ — туда, где ожидается НЧ сигнал. Данный подход позволил быстро устранить проблему. Его мне подсказал Юрий, EW1AEI.

В ретроспективе можно сказать, что такие конденсаторы нужно добавлять сразу. Также, разместить УМ вторым этажом в трансивере на двунаправленных усилителях явно было не самой блестящей идеей. Этот опыт обязательно будет учтен в будущих проектах.

Дополнение: Обновленную версию прошивки можно скачать здесь. Она отличается от оригинальной тем, что не использует на ЖКИ символ подчеркивания. Последний мигает при обновлении информации, например, при перерисовке S-метра. Когда долго смотришь на трансивер, это мигание раздражает.

Дополнение: Продолжение истории ищите в статье HBR/MK2: коротковолновый CW/SSB QRP-трансивер.

Метки: STM32, Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.