Записки программиста

Ранее в этом блоге был рассмотрен генератор Клаппа на основе кварцевого резонатора. Такой генератор может быть использован, как основа для простейшего CW-передатчика. Но есть проблема. Генератор работает только на одной частоте. Это существенно сокращает наши шансы на успешное QSO, особенно если мощность передатчика составит пару ватт или меньше. Давайте же выясним, что с этим можно сделать.

Примечание: В английском языке генератор переменной частоты называется variable frequency oscillator, или VFO. Если в генераторе используется кварцевый резонатор, его называют variable crystal (xtal) oscillator, или VXO. Когда генератор используется в радиоприемниках для гетеродинирования (heterodyning), его называют гетеродин (local oscillator, LO).

На самом деле, решений больше одного. Например, можно запастись разными кварцами и менять частоты, вставляя нужный кварц в гнездо генератора. Но найти кварцы с частотой, попадающей на радиолюбительские телеграфные участки, довольно проблематично, во всяком случае, по разумной цене. Да и при таком подходе вы получите 2-3 фиксированные частоты, что так себе решение. Можно отказаться от использования кварцевого резонатора и спаять LC-генератор, частота в котором будет меняться при помощи КПЕ. Это будет работать. Но чтобы генератор выдавал сигнал, который будет (1) стабильным, (2) на нужной частоте и (3) перестраиваться в необходимом интервале, придется приложить усилия.

На самом деле, наш генератор можно переделать в генератор переменной частоты, добавив КПЕ между кварцевым резонатором и землей. Правда, это позволяет менять частоту совсем чуть-чуть, буквально на пару кГц. Еще пару кГц можно выжать, добавив катушку индуктивности между кварцем и КПЕ. Других решений не было известно вплоть до 1980-го года, пока японские радиолюбители I. Shimizu, JAØFAS (SK) и T. Okubo, JH1FCZ не догадались соединить два кварцевых резонатора параллельно. Свой генератор они назвали Super VXO. Прочитать об этой истории чуть подробнее можно на этой странице.

Оригинальную схему я чуть-чуть изменил. Вместо транзистора 2SC1815 был использован 2N3904 (просто у меня их много), а также был добавлен буфер на том же транзисторе:

Модель генератора для LTspice вы найдете в этом архиве. Отмечу, что схема в архиве немного отличается от приведенной выше. Дело в том, что подобранная в LTspice схема в реальности не заработала. Однако на ее основе была подобрана рабочая схема, которая и приведена выше. Интересно, что окончательный вариант схемы не должен работать, если верить LTspice. Это в очередной раз показывает, что моделировать и делать что-то руками — не одно и то же.

Резисторы должны быть использованы с погрешностью 1%. R1 и R5 — на 0.5 Вт, остальные — на 0.25 Вт. Конденсаторы следует использовать NP0. На месте C3 и C4 сгодятся X7R, если NP0 нужных номиналов не удается найти. Кварцевые резонаторы Y1 и Y2 должны быть на одну частоту. Это будет максимальная частота, которую сможет выдавать VXO. Номинал L1 нужно подбирать. Чем больше индуктивность, тем больше диапазон частот может выдавать генератор, но и тем менее он стабилен. Если не удается получить требуемый диапазон, следует попробовать другую пару Y1 и Y2. В качестве VC1 желательно использовать КПЕ с редуктором. Использование КПЕ больше чем на 250-300 пФ не дает существенного выигрыша.

Важно! Схема очень чувствительная. Помимо самого номинала L1 имеет значение длина контактов, положение катушки в пространстве, и так далее.

Генератор у меня получился таким:

КПЕ с редуктором был приобретен на eBay. Он оказался просто замечательным. Помимо пары сдвоенных конденсаторов в нем встроен потенциометр на 100 кОм. Продавец отдавал КПЕ партиями по пять штук. С учетом доставки в Россию получилось 12.6 € за штуку. На Avito и досках объявлений радиолюбителей аналогичные КПЕ иногда предлагают за ~500 рублей (~6 €). При выборе КПЕ помимо прочего обращайте внимание на его физические размеры и вес.

Важно! КПЕ чувствителен к паразитной емкости, вносимой при поднесении к нему руки. Для минимизации этого эффекта ось КПЕ должна быть заземлена, а генератор целиком — как следует экранирован.

На фото можно видеть четыре кварцевых резонатора. Одна пара — на 7.030 МГц, а вторая — на 7.159 МГц. Откуда у меня первые я уже и не вспомню. Если вам не удается найти такие же, то на eBay немало предложений кварцев на близкую частоту, 7.023 МГц. Вторая пара была приобретена в Чип-и-Дипе. Схема тестировалась на одной паре кварцев, а затем перепаивалась на другую.

С кварцами на 7.030 МГц удалось получить диапазон в 28 кГц:

Увеличивая L1 можно получить и больше. Но в этом случае генератор начинает «плавать» на ±100 Гц и больше, что для телеграфа неприемлемо.

Интересно, что выход генератора богат гармониками:

Гармоники можно отфильтровать и использовать генератор в диапазонах 20, 15 и 10 метров. С увеличением частоты в N раз также в N раз увеличивается и диапазон частот генератора. Так, на 20 метрах генератор выдает от 14.008 МГц до 14.064 МГц, или 56 кГц. На 10 метрах — от 28.016 МГц до 28.128 МГц, целых 112 кГц. Но при этом в N раз ухудшается и стабильность генератора! Поэтому гармоники полезны только тогда, когда не удается найти кварц на интересующую частоту.

Та же схема, но с кварцами на 7.159 МГц дает 107 кГц:

Должно быть, кварцы отличаются друг от друга сильнее, чем предыдущая пара, и/или имеют меньшую добротность. На 20 и 10 метрах предсказуемо получаем 214 кГц и 428 кГц соответственно.

Домашнее задание: Как изменится поведение генератора, если отпаять один кварцевый резонатор? Что произойдет, если затем убрать из схемы и катушку индуктивности? Проверьте свои предположения экспериментально.

Следует иметь ввиду, что подобный генератор чувствителен ко многим факторам. На его стабильность влияют изменение температуры, падение напряжения на аккумуляторе, различные электромагнитные наводки, механическая неустойчивость КПЕ, и так далее. Например, если охладить генератор при помощи баллона со сжатым воздухом, то частота сдвинется на 1 кГц:

Такие вещи особенно критичны, если генератор планируется использовать в полевых условиях. В реальном передатчике или трансивере генератор обязательно должен быть экранирован, и в идеале — как-то теплоизолирован.

Было решено проверить стабильность получившегося генератора при комнатной температуре. Делать серьезное экранирование пока не хотелось. Вместо этого генератор был помещен в картонную коробку и обмотан фольгой. Такой экран далек от идеального, но для эксперимента сгодится. Для запитки генератора был использован Li-Ion аккумулятор 3S. Дадим генератору 10 минут, чтобы прогреться (аналоговая электроника, как-никак), а затем оставим на час подключенным к анализатору спектра:

Перед нами интервал частот в 1 кГц. Измерения проводились с RBW 10 Гц в режиме Max Hold. Видим, что в течение часа генератор плавал на ±40 Гц. Если оставить генератор еще на час, видим ±20 Гц. Без экрана картина заметно портится, получаем ±75 Гц. При использовании импульсного блока питания на 12 В или линейного регулятора напряжения L7809 стабильность только ухудшается. Существенно повысить стабильность удалось только путем сужения генерируемого интервала частот, то есть, уменьшением L1. Так, при интервале 10 кГц генератор бродил на ±20 Гц в первые десять минут, и ±12 Гц в течение следующего часа. Далее анализатор спектра не мог зафиксировать изменение частоты. То есть, оно составило менее ±5 Гц.

По всей видимости, Super VXO нельзя назвать универсальным решением на все случаи жизни. Однако найдется больше одной задачи, в которой он вполне применим. Главное преимущество Super VXO — это простота схемы. При этом можно выбирать между стабильностью генератора и выдаваемым интервалом частот.

Дополнение: В статье Измеряем параметры кварцевых резонаторов показано, что параллельное соединение двух кварцев эквивалентно использованию одного кварца меньше добротности. Вас также могут заинтересовать посты Изменение частоты кварцевого резонатора при помощи медного купороса, Генератор переменной частоты для трансивера и Микроконтроллеры STM32: пишем драйвер для Si5351.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.