Четырёхфазный синтезатор частот с мощным выходом. Часть 1

Сергей Комаров, UA3ALW

Часть 1. Параметры, структурная и принципиальная схемы. Радиолюбитель. 2025, № 3 стр. 28-32  

Часть 2. Конструкция, детали, регулировка. Радиолюбитель. 2025, № 4 стр. 30-32  

Часть 3. Частотные вариации. Радиолюбитель. 2025, № 5 стр. 28, 29  

Синтезатор частот предназначен для работы в качестве мощного задающего генератора в связных и вещательных радиопередатчиках малой и средней мощности диапазонов длинных, средних, промежуточных и нижней части коротких волн. Используется для непосредственного возбуждения выходного каскада передатчика на металло-керамических тетродах, работающего в ключевом режиме с импульсным суммированием мощности. Изначально разрабатывался для передатчиков Индивидуального радиовещания диапазона 200 метров, но может иметь более широкие применения в профессиональной аппаратуре радиосвязи, навигации и вещания.

Параметры. Имеет универсальную схему, позволяющую выбирать рабочие частоты от длинных волн до 4,7 МГц. Формирует сетку из 40 рабочих частот. Шаг сетки частот может выбираться в пределах от 1 до 25 кГц. Программируемый перемычками фиксированный коэффициент деления в канале опорной частоты от 1 до 256. Оперативно переключаемый коэффициент деления при перестройке выходной частоты от 161 до 200. Выходной сигнал – мощные прямоугольные импульсы для коммутации выходных радиоламп по цепи катода. Удовлетворяет Нормам ГКРЧ для связных, радиовещательных и навигационных передатчиков [14].

В двухфазном исполнении может иметь четыре варианта импульсов на двух выходах:

1. Два противофазных сигнала с частотой f_р/2, при скважности 6, амплитудой до 100 В при токе до 1,6 А. Выход – открытый сток. Для возбуждения двухфазного выходного каскада [5].
2. Два противофазных сигнала с частотой f_р, при скважности 3, амплитудой до 100 В при токе до 1,6 А. Выход – открытый сток. Для возбуждения двухтактного выходного каскада.
3. Четыре попарно противофазных сигнала с частотой f_р/2, при скважности 6, амплитудой до 60 В при токе до 0,8 А. Выход – открытый коллектор. Для возбуждения двухфазного выходного каскада с параллельной работой двух активных элементов в каждой фазе.
4. Четыре попарно противофазных сигнала с частотой f_р, при скважности 3, амплитудой до 60 В при токе до 0,8 А. Выход – открытый коллектор. Для возбуждения двухтактного выходного каскада с параллельной работой двух активных элементов в каждом плече [7, 8].

В четырёхфазном исполнении имеет два варианта импульсов на четырёх выходах:

1. Четыре четырёхфазных сигнала с частотой f_р/2, при скважности 6, амплитудой до 100 В при токе до 1,6 А. Выход – открытый сток. Для возбуждения четырёхфазного выходного каскада [5].
2. Восемь попарно четырёхфазных сигналов с частотой f_р/2, при скважности 6, амплитудой до 60 В при токе до 0,8 А. Выход – открытый коллектор. Для возбуждения четырёхфазного выходного каскада с параллельной работой двух активных элементов в каждой фазе.

Формирование сетки частот в синтезаторе может быть в двух вариантах:

1. f_р = N x f_оп / 2M.
2. f_р = N x f_оп / M.

Где f_р – выходная рабочая частота синтезатора; f_оп – частота опорного генератора; N - переменный коэффициент делания при перестройке частоты (от 161 до 200); M – фиксированный коэффициент деления в канале опорной частоты (от 1 до 256).

Элементная база синтезатора - отечественные микросхемы ТТЛШ серий 530 и 533.

В синтезаторе используется интегральный термокомпенсированный кварцевый генератор ГК321-ТК-К-АД российской фирмы «БМГ-кварц», имеющий относительную нестабильность частоты (0,5…1,0) х 10^-6. Предусмотрено и альтернативное применение опорного генератора ГК159-ТК российской фирмы «БМГ-плюс». Возможно также использование внешнего опорного генератора [4].

Электропитание: два источника: +8 … 15 В, 250 мА и +15 … 20 В, 15 мА. Возможно питание от одного источника +15 … 20 В, 270 мА. Имеются встроенные стабилизаторы напряжения.

Структурная схема. Синтезатор выполнен по классической схеме косвенного синтеза частот [1, 2] на базе ФАПЧ с ЧФД и ДПКД (рис. 1).

Синхронное формирование импульсов оптимальной скважности [3] для работы выходного каскада передатчика в ключевом режиме осуществляется на шестикратной рабочей частоте с помощью трёх делителей частоты (ДЧ на 3, на 2 и на 2) и стробируемого распределителя импульсов.

Переключатели П1 (единицы) и П2 (десятки) задают текущее значение N (выбор номера частоты) в ДПКД. Помимо этого, переключатель П2 в схеме ГУН переключает контурные катушки и дополнительный конденсатор для расширения диапазона перекрытия частот [10]. Перемычки П3, впаиваемые в плату, задают в двоичном дополнительном коде значение М в ДФКД, и влияют на выбор частоты сравнения F_ср = f_оп / М и на значение частоты опорного кварцевого генератора.

Рис. 1. Структурная схема синтезатора.

Универсальность. Перемычки П4 и П5 меняют конфигурацию синтезатора.

Набор перемычек П4 определяет форму выходного сигнала и, как следствие, тип выходного каскада передатчика, подключаемого к синтезатору. При наборе перемычек «двухтактный», синтезатор может управлять двухтактным выходным каскадом, обеспечивая передатчику максимальную выходную мощность. При этом выходные активные элементы работают со скважностью q = 3 и, соответственно, с углом отсечки 60°, обеспечивая высокое значение КПД. Такую конфигурацию следует применять для связных передатчиков. При наборе перемычек «двухфазный», синтезатор сможет управлять двухфазным выходным каскадом, обеспечивая передатчику максимальный ресурс выходных активных элементов и горячее резервирование (увеличение надёжности) при достаточной мощности. При этом выходные активные элементы работают поочерёдно, через период, со скважностью q = 6 и с тем же оптимальным углом отсечки 60°. Такую конфигурацию следует применять для вещательных и навигационных передатчиков, работающих длительное время в необслуживаемом режиме эксплуатации (например, при освоении районов Крайнего Севера). При наборе перемычек «четырёхфазный», синтезатор сможет управлять четырёхфазным выходным каскадом, обеспечивая передатчику максимальный ресурс выходных активных элементов и горячее резервирование (увеличение надёжности) при максимальной выходной мощности. В этом случае к синтезатору подключается плата расширения добавляющая третий и четвёртый выходы.

Перемычка П5 определяет соотношение выходной рабочей частоты и частоты сравнения, на которой работает петля ФАПЧ. Возможны варианты F_ср = f_р / N и F_ср = 2f_р / N. Эта перемычка определяет частоту, на которой работает ДПКД. Применённая схема ДПКД устойчиво работает до значения 9,6 МГц. Второе назначение этого переключения – вынесение за пределы полосы модулирующего сигнала паразитных комбинационных частот самого синтезатора f_р ± F_ср .

Перемычка П6 позволяет выбрать номинал опорной частоты генератора ГК321-ТК-К-АД.

Дальнейшее развитие универсальности данного синтезатора заключается в том, что в том же самом конструктиве (на той же печатной плате и в тех же отверстиях для радиоэлементов) можно собрать два схемных варианта выходных транзисторных ключей, выполнив их, либо, на двух полевых транзисторах IRL510, установленных на радиаторы KG-288-12 (рис. 2, рис. 5), либо, на четырёх отечественных биполярных транзисторах 2Т608Б, без радиаторов (рис. 4, рис. 5).

Помимо этого, в схеме и конструкции синтезатора предусмотрено альтернативное применение опорного генератора ГК159-ТК (отечественная фирма «БМГ-плюс») в корпусе меньших размеров и с другими дополнительными элементами схемы включения (рис. 3, рис. 5).

Выбор элементной базы и схемной реализации синтезатора. Синтезатор собран на жёсткой логике с применением цифровых микросхем ТТЛШ среднего и малого уровня интеграции в металлических корпусах с планарными выводами (530 и 533 серии). Выбор столь устаревшей реализации обусловлен требованием надёжной работы прибора в условиях сильных электромагнитных и электростатических полей, в непосредственной близости от мощных активных элементов выходного каскада передатчика, мощностью в единицы киловатт. В условиях мощных наводок микроконтроллерное и любое программированное исполнение синтезатора приведёт к неизбежным сбоям в работе внутренних программ, что при автоматизированном или необслуживаемом режиме эксплуатации недопустимо в работе передатчиков радиосвязи, навигации и радиовещания. Жёсткая же логика ТТЛШ, по причине отсутствия избыточных или недокументированных состояний, принципиально не способна давать сбой. В отличие от микропроцессоров и микроконтроллеров, жесткая логика умеет делать только то, для чего спроектирована.

Получившимся габаритам синтезатора 97 х 112 х 25 (вместе с радиаторами выходных ключей) могут сильно позавидовать синтезаторы, реализованные на специализированных программируемых микросхемах. Для работы программируемых ИС на базе микроконтроллеров в условиях мощных местных радиопомех необходимы сложные схемы развязки и наличие тщательной экранировки, для обеспечения надёжной работы. К тому же, этот синтезатор, даже в средневолновом вещательном передатчике мощностью несущей  всего лишь 150 Вт, при пиковой мощности до 600 Вт (не говоря уже о киловаттах), занимает объём менее 1%. Поэтому, его миниатюризация, с применением интегральных схем большого уровня интеграции (БИС), не имеет смысла, и в первоочередные задачи выходят простота регулировки, надёжность и помехоустойчивость.

И ещё одно достоинство схемотехники на жёсткой логике. После сборки синтезатора, его можно включить и он сразу заработает. Не требуется программирования, не нужен компьютер и программист, который напишет для него программу в машинных кодах специализированной ИС.

Принципиальная схема. Подробное описание в [1]. Имеет два варианта выхода. На полевых транзисторах и на биполярных. Отдельно приведена схема включения альтернативного опорного генератора (рис. 3). Для четырёхфазного варианта к двухфазному синтезатору добавляется плата расширения, содержащая к уже имеющимся счётчикам, вторую половину четырёхфазного дешифратора и мощные выходные ключи, полностью аналогичные двум имеющимся на основной плате. Изначально синтезатор разрабатывался для Индивидуального радиовещания [6, 11], и на принципиальной схеме указаны номиналы элементов для диапазона частот 1449-1800 кГц. Начнём описание схемы с базового двухфазного варианта с выходом на полевых транзисторах (рис. 2).

Весь верхний ряд схемы – это ДПКД: Шифраторы на 533ЛА1 и ЛА3, вычитающий счётчик на двух 533ИЕ6 (единицы и десятки) и одном триггере 533ТМ2 (сотни). Второй триггер микросхемы – формирователь синхронного сигнала загрузки кода. Этим он добавляет единичку к коэффициенту пересчёта и ПКД получается не от 160 до 199, а от 161 до 200. В среднем ряду слева изображён ДФКД на двух 533ИЕ10 и одном элементе ЛА3. Прямо под ним расположен опорный генератор со схемой фильтрации питания и подборным резистором коррекции частоты. В центре среднего ряда – импульсный частотно фазовый детектор на ИС 533ТМ2 и трёх элементах ЛА3 (четвёртый – в ДФКД). Три элемента обеспечивают задержку для формирования длительности асинхронного импульса сброса триггеров ЧФД. Далее, вправо, два отсекающих диода 2Д522Б, задача которых не допустить к ФНЧ и Интегратору «грязный» уровень логической единицы с выходов триггеров ТТЛШ. Благодаря этим диодам ЧФД задаёт лишь «чистый» нулевой логический уровень, а «единичку» подставляет делитель напряжения 2,7к/7,5к от «чистого» источника +12 вольт, да еще дважды отфильтрованного блокировочными конденсаторами 0,068 и 0,01 мкФ. Потенциал +2,7 В с делителя напряжения, через резисторы 3к подается в анодные цепи диодов и на вход интегратора, собранного на операционном усилителе 140УД6. Эта микросхема выполнена по биполярной технологии, и нечувствительна к статическим наводкам. Оба входа интегратора симметричны и образованы цепочками из двух резисторов 120к и 15к и накопительных конденсаторов 0,01 мкФ. Группа по ТКЕ этих конденсаторов выбрана М1500. Конденсаторы с нелинейной и термонестабильной керамикой групп Н30, Н50 и Н90 в эту цепь ставить нельзя. Они годятся лишь как блокировочные, а для времязадающих цепей непригодны. С выхода интегратора постоянное напряжение фазовой ошибки ФАПЧ подаётся на варикапы 2В104А через разделительный ВЧ фильтр из фильтрующего конденсатора 0,01 мкФ (М1500) и разделительного резистора 51к.

В левом нижнем углу схемы показан ГУН. Он выполнен на транзисторе 2Т326Б с заземлённым коллектором (коллектор – на корпусе, так, что транзистор в такой схеме экранирует сам себя) по схеме генератора Клаппа (емкостная трёхточка, 240 пФ и 330 пФ, с дополнительной емкостью в индуктивной ветви). Клапповский конденсатор 100 пФ заодно выполняет роль разделительного. Индуктивная ветвь состоит из двух переключаемых катушек, дополнительно подключаемого конденсатора 12 пФ и параллельно включённых двух встречно-последовательных варикапов. Варикапы по ВЧ включены последовательно, а по управляющему напряжению - параллельно, и синхронно меняют свою ёмкость при работе ФАПЧ. С наименее «холодной» точки контура, с эмиттера транзистора, через конденсатор внешнеемкостной связи 56 пФ, сигнал поступает на буферный усилитель, собранный по каскодной схеме ОК-ОБ с эмиттерной связью. На выходе буферного усилителя установлен логический элемент 530ЛА4, преобразующий синусоидальный сигнал автогенератора в прямоугольные импульсы со скважностью близкой к двум.

Напряжение питания автогенератора и буферного усилителя стабилизировано на уровне 6,8 В с помощью стабилитрона 2С168А от источника +12 вольт.

Рис. 2. Принципиальная схема мощного двухфазного синтезатора в варианте С9-1449-1800-246

(расшифровка названия: Синтезатор, сетка 9 кГц, f_н = 1449 кГц, f_в = 1800 кГц, число фаз – 2 или 4, скважность – 6).

Далее, частота импульсов f_гун = 6 f_р делится на 3 синхронным счётчиком на двух триггерах ИС 530ТМ2 для формирования стробирующего импульса длительностью 1/6 периода рабочей частоты. Затем, следует счётчик на 2, раскидывающий эти импульсы поочерёдно по двум тактам для работы двухтактного выходного каскада и следом, ещё один счётчик на 2, который формирует две последовательности импульсов половинной частоты для возбуждения двухфазного или четырёхфазного выходного каскада. Выходы всех счётчиков приходят на стробируемый дешифратор на двух элементах 530ЛА4 (третий логический элемент – в формирователе прямоугольных импульсов на выходе буферного усилителя). Набор перемычек П4 позволяет выбрать режим работы выхода синтезатора «двухтактный» или «двухфазный». Далее – инвертирующий «усилитель мощности» на ИС 530ЛА12, который управляет работой выходных транзисторных ключей.

Последовательность импульсов на ДПКД, для работы петли ФАПЧ, берётся либо после делителя на 3 и соответствует двойной рабочей частоте 2f_р , либо с выхода первого делителя на 2 и соответствует рабочей частоте f_р . Выбор производится перемычкой П5. Соответственно, в два раза можно менять частоту сравнения F_ср и выбирать более удобное значение частоты опорного генератора f_оп . А также П5 влияет на параметры, приведённые в описании структурной схемы.

Дополнительные схемные решения. Альтернативный интегральный термокомпенсированный кварцевый генератор ГК159-ТК требует напряжения питания +3,3 В. Поэтому его схема включения содержит параметрический стабилизатор на стабилитроне 2С133А, питающийся, в свою очередь, от стабилизированного источника +5 В (рис. 3). Подключение альтернативного генератора ГК159-ТК в схему производится при его установке на плату, как показано на рис. 5.

Рис. 3.                                                                  Рис. 4.

Для работы каждого выхода на два мощных нувистора 6П37Н-В, выходные ключи могут быть выполнены на четырёх отечественных биполярных транзисторах 2Т608Б (рис. 4).

Продолжение статьи Обсудить на форуме

Чистого эфира и приятного прослушивания музыки на АМ радио!