Zaloguj
- Tor odbiorczy z bezpośrednią przemianą częstotliwości.
- Odbiór transmisji DSB lub SSB (w sprzyjających warunkach).
- Załączany za pomocą przełącznika filtr wąskopasmowy do odbioru sygnałów CW, FSK, PSK, itp.
- Pokrętła zgrubnego i precyzyjnego przestrajania.
- Wyjście kontrolne częstotliwości VFO do podłączenia częstościomierza.
- Zintegrowany wzmacniacz słuchawkowy 2×1 W/8 Ω.
Pomiary kontrolne odbiornika
Opisane w dalszej części artykułu pomiary kontrolne odbiornika nasłuchowego „Kubuś” w zasadzie nie są niezbędne do jego prawidłowego uruchomienia i eksploatacji, jednak bardziej wnikliwym i ambitnym konstruktorom niewątpliwie dostarczą wiedzę, którą będą oni mogli wykorzystać m.in. przy konstruowaniu znacznie bardziej rozbudowanych urządzeń. Należy tutaj zastrzec, że do realizacji przedmiotowych pomiarów optymalne będzie następujące wyposażenie: zasilanie akumulatorowe lub bateryjne (gwarantujące brak zakłóceń w torach zasilania odbiornika, przenikających do jego obwodów sygnałowych), miernik częstotliwości, oscyloskop (najlepiej cyfrowy, z funkcją pomiaru częstotliwości i choćby najprostszym analizatorem widma), szerokopasmowy generator sygnałowy lub (lepiej) wobulator, tłumik ekranowany, pomiarowa sonda logarytmiczna oraz oczywiście multimetr cyfrowy dobrej klasy.
Mimo to w dalszej części publikacji przedstawiono pomiary zrealizowane możliwie najtańszymi i najprostszymi metodami.
Pierwszy, stosunkowo prosty pomiar kontrolny miał na celu obserwację oscylogramu wyjścia cyfrowego sygnału z generatora VFO, dostępnego na porcie J6, przy potencjometrach regulacji Fvfo (P3 i P4) ustawionych w środkowych położeniach. Dodatkowym elementem takiego pomiaru powinna być analiza podstawowych parametrów obserwowanego sygnału: częstotliwości Fvfo, skrajnych napięć Vmin i Vmax oraz współczynnika wypełnienia D. Na fotografii 11 pokazano stosowny oscylogram wraz z wynikami pomiarów, wykonanych automatycznie za pomocą oscyloskopu cyfrowego.
Do jednego z jego wejść Y podłączono sygnał z wyjścia J6 odbiornika krótkim kablem koncentrycznym o impedancji 50 Ω, zakończonego łączówkami BNC. Rezultaty automatycznych pomiarów okazały się następujące: Fvfo=3,57 MHz, Vmin=-80 mV, Vmax=5,20 V, D=50%. Są one w pełni zgodne z oczekiwaniami autora projektu, jakkolwiek dwa aspekty wymagają w tym miejscu wyjaśnienia. Po pierwsze, niewielkie różnice w wartościach pomierzonych napięć Vmin i Vmax oraz występujących w odbiorniku poziomów logicznych 0 V i +5 V nie zaskakują i stanowią zapewne rezultat niedokładności stosunkowo szybkich (250 MS/s) pomiarów przetwornikiem analogowo-cyfrowym ADC (o rozdzielczości zaledwie ośmiu bitów) w oscyloskopie cyfrowym średniej klasy. Po drugie, wyświetlone częstotliwości Fvfo: chwilowa (3,54812 MHz) oraz średnia (3,57 MHz), różnią się dość wyraźnie i wynika to zapewne z zastosowanych przy nich różnych metod pomiarów i wyliczeń.
Kolejny pomiar miał za zadanie określić stabilność częstotliwości generatora VFO oraz wyznaczyć czas sukcesywnego dochodzenia do tego stanu. Badanie wykonano w temperaturze pokojowej, która - przez cały czas trwania pomiaru - w najbliższym otoczeniu odbiornika wzrastała powoli od około 16 do około 18°C. Odbiornik był wyłączony przez co najmniej godzinę przed rozpoczęciem pomiaru, dzięki czemu można było wyraźnie zaobserwować efekt nagrzewania się elementów w jego wnętrzu zaraz po włączeniu urządzenia. Do pomiaru wykorzystano dedykowany cyfrowy miernik częstotliwości, wykonany wg projektu AVT5398, opublikowanego w „Elektronice Praktycznej” 5/2013. Pomiary realizowano przez 30 minut co 1 minutę - począwszy od momentu włączenia odbiornika.
Rezultaty pomiarów zestawiono w tabeli 2, a także zwizualizowano na odpowiadającym tym danym wykresie na rysunku 6. Jak wynika z rezultatów pomiarów, częstotliwość Fvfo zmieniała się (malała) zgodnie z trendem już na oko zbliżonym do wykładniczego. Jest to dość charakterystyczne w przypadku wszystkich układów fizycznych osiągających stan równowagi termodynamicznej, polegający na wyrównywaniu się temperatur obiektów danego układu fizycznego w tempie proporcjonalnym do aktualnej różnicy temperatur tychże obiektów. I tak, najdynamiczniejsze zmiany Fvfo można było zaobserwować w ciągu dosłownie pojedynczych pierwszych minut od włączenia zasilania odbiornika. Natomiast w dalszym okresie trend był zdecydowanie mniej dynamiczny i przypominał łagodne zmiany liniowe, które zapewne w znacznym stopniu wynikały także ze zmian temperatury otoczenia o +2°C w trakcie trwania pomiaru. Panaceum na tego typu niedogodności, stosowanym w analogowych generatorach VFO, może być użycie elementów LC wzajemnie skompensowanych termicznie lub o zerowych współczynnikach temperaturowych. Innym rozwiązaniem, implementowanym współcześnie także w generatorach kwarcowych o podwyższonej dokładności OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), jest podgrzewanie całego układu generacyjnego do stałej, wysoce stabilnej temperatury.
Oczywiście w tak prostych urządzeniach, jak odbiornik „Kubuś”, wystarczy mieć świadomość opisanej niedogodności i, w celu poprawy komfortu pracy z urządzeniem, po prostu eksploatować je we w miarę stabilnych warunkach temperatury otoczenia oraz włączać zasilanie na kilka do kilkunastu minut przed rozpoczęciem zaplanowanych nasłuchów. W szczególności, jak wynika z rezultatów pomiarów, częstotliwość Fvfo w trakcie trwania całego pomiaru (30 minut) zmieniła się aż o około 10 kHz, ale w ciągu jego ostatnich 10 minut - już tylko o mniej niż 1 kHz. Oczywiście podobnych cech niestabilności częstotliwości generatora przestrajanego nie miałyby rozwiązania oparte o syntezy z zastosowaniem generatorów pracujących w technikach DDS lub PLL.
Na następnym etapie prac dokonano pomiaru częstotliwościowej charakterystyki przenoszenia wejściowego filtru pasmowego w.cz. W tym celu skorzystano z logarytmicznej sondy pomiarowej (wg projektu AVT1962, opublikowanego w „Elektronice Praktycznej” 5/2013), generatora-wobulatora (wg projektu AVT5980, opublikowanego w „Elektronice Praktycznej” 4…6/2023) oraz oscyloskopu cyfrowego. Celem ograniczenia wpływu sąsiadujących z filtrem w.cz. bloków (wzmacniacz dopasowania impedancji oraz mieszacz odbiorczy) na rezultaty pomiarów zastosowano tymczasowe (wyłącznie na czas pomiarów) elektryczne wyizolowanie badanego filtru z reszty układu. W tym celu:
- przecięto ścieżki łączące węzeł kolektora tranzystora Q1 z wejściem filtru, czyli węzłem łączącym pojemności C121, C122 i C13,
- usunięto z podstawek układy scalone U3, U4 i U5,
- węzeł łączący rezystor R8 z kluczami U3C i U3D zaterminowano do masy odbiornika rezystorem 47 Ω - celem zapewnienia zgodnego z założeniami projektu filtru w.cz. obciążenia jego wyjścia (zbliżonego do 100 Ω).
Oczywiście, po zakończeniu pomiarów filtru w.cz. wszystkie opisane powyżej zmiany zostały cofnięte. Użyty w tym zadaniu generator-wobulator (AVT5980) ustawiono rzecz jasna do pracy w trybie wobulatora z następującymi ustawieniami: częstotliwość wobulacji Fvob=4 Hz, zakres przemiatania Fl…Fh=3,2...4,8 MHz (pasmo częstotliwości o szerokości 1,6 MHz), napięcie wyjściowe Uwy=2 Vp-p. Wyjście analogowe (z sygnałem sinusoidalnym) wobulatora podłączono do wejścia filtru, natomiast wyjście filtru podłączono do wejścia pomiarowej sondy logarytmicznej (AVT1962), ustawionej w trybie pracy w.cz. (bez załączonych dodatkowych filtrów dolnoprzepustowych) i z bezpośrednim przetwarzaniem, tzn. bez użycia tłumika -20 dB i bez użycia wzmacniacza +20 dB. Do wejść oscyloskopu cyfrowego podłączono: do kanału X - wyjście piłokształtnego sygnału podstawy czasu „SYNCHRO”, zmieniającego się w zakresie 0…4 V, natomiast do kanału Y - wyjście sondy logarytmicznej. Badany odbiornik nasłuchowy w tym pomiarze nie wymagał zasilania, ponieważ mierzony filtr w.cz. jest obwodem czysto biernym. Na fotografii 12 pokazano uzyskane na oscyloskopie sygnały obu kanałów X i Y w tzw. trybie YT, czyli z osią czasu na poziomej osi ekranu i współbieżnym wyświetlaniem obu kanałów (pozostałe ustawienia wykonano w trybie AUTO oscyloskopu).
W zasadzie i w tym trybie pracy oscyloskopu można przeanalizować charakterystyki częstotliwościowe filtru w.cz., jednak jest to cokolwiek mało wygodne. Dlatego - mając do dyspozycji oscyloskop z dostępnym trybem pracy XY - warto użyć go w tym zastosowaniu. Na fotografii 13 pokazano właśnie efekty takiej analizy.
Po ustawieniu optymalnych nastaw wyświetlania (wzmocnienie i offset - osobno dla obu kanałów X oraz Y) uzyskano następujące parametry odczytu wykresu: oś częstotliwości (pozioma): 200 kHz na działkę, logarytmiczna oś poziomu sygnału (pionowa): 2 dB na działkę. Przy tej wiedzy, z wykresu analizowanej charakterystyki częstotliwościowej można odczytać, że uzyskane 3-decybelowe pasmo przepustowe badanego filtru w.cz. leży w przybliżonym zakresie od 3,55 MHz do 4,08 MHz. Zatem odbiega ono nieco od pierwotnych założeń projektowych, przyjętych dla dozwolonego w naszym regionie organizacji IARU zakresu częstotliwości emisji (3,5...3,8 MHz). Jakkolwiek, z punktu widzenia potrzeb autora tego projektu, przesunięcie maksimum pasma przepustowego filtru w.cz. w kierunku podpasma przeznaczonego do emisji fonicznych (tabela 1), a nawet rozszerzenie go „od góry” na zakres emisji dozwolonych w innych regionach organizacji IARU nie jest wadą. Dlatego w tym konkretnym przypadku żadne działania optymalizacyjne, opisane we wcześniejszej części publikacji, nie zostały podjęte.
Po przywróceniu funkcjonalności odbiornika, zaburzonych na czas pomiaru filtru w.cz. (tzn. jego połączenia z sąsiednimi blokami urządzenia), przystąpiono do badania charakterystyk częstotliwościowych filtrów audio: fonicznego (tzn. przeznaczonego dla SSB) oraz wąskopasmowego (tzn. przeznaczonego dla emisji CW/FSK/PSK). W celu uniknięcia interakcji z torami: w.cz., przemiany częstotliwości oraz wzmacniaczy wstępnych m.cz. odbiornika, na czas omawianych tutaj pomiarów wyjęto z urządzenia układ scalony U4 (podwójny wzmacniacz operacyjny NE5532, zawierający układy U4A i U4B). Do pomiarów zastosowano ponownie generator-wobulator AVT5980, który był przestrajany ręcznie w zakresie od 50 Hz do 10 kHz, z minimalnym krokiem 50 Hz. Krok pomiarów był miejscowo odpowiednio zwiększany celem redukcji ilości danych pomiarowych, przeznaczonych do dalszej obróbki - w tych przedziałach częstotliwości, w których zmiany badanych charakterystyk wykazywały względną liniowość. Rysunek 7 przybliża sposób włączenia bloków filtrów audio do prostego układu pomiarowego.
Do gniazd 1 (żyła „gorąca”) i 4 (masa) podstawki pod (czasowo usunięty) układ scalony U4 dołączono wyjście generatora sygnałowego, natomiast mierzony sygnał pobierano - za pomocą sondy oscyloskopu - z wyjścia J4 lub J5 wzmacniacza audio z układem U6. Fotografia 14 pokazuje sposób fizycznego włączenia generatora do układu odbiornika, które wykonano za pomocą prowizorycznej wtyczki, wykonanej z rzędu czterech długich męskich styków typu goldpin, wciśniętej w podstawkę pod układ scalony U4.
Zakończenia cienkiego przewodu koncentrycznego o impedancji charakterystycznej równej 50 Ω, doprowadzającego przebieg z generatora sygnałowego, dolutowano do dwóch skrajnych pinów w prowizorycznej wtyczce goldpin. W trakcie wykonywania pomiarów sygnał sinusoidalny na wyjściu zastosowanego generatora laboratoryjnego był utrzymywany na stałym poziomie, nieprzekraczającym 0,5 Vp-p - tak aby mierzony oscyloskopem sygnał na wyjściu jednego ze wzmacniaczy mocy m.cz. (złącze J4 lub J5) nie nosił wyraźnych znamion przesterowania. Podany warunek udawało się z powodzeniem spełnić przy nastawieniu potencjometru regulacji głośności odbioru na około 20% pełnej skali logarytmicznej. Uzyskane rezultaty pomiarów charakterystyk częstotliwościowych filtrów audio, wykonanych osobno dla filtru fonicznego (dedykowanego dla emisji SSB) oraz wąskopasmowego (przeznaczonego dla emisji CW/FSK/PSK), podano w tabelach 3 i 4, a także zilustrowano na rysunkach 8 i 9.
Pomiary dla filtru fonicznego były gromadzone od częstotliwości 500 Hz, ponieważ zasadniczo filtr ten jest po prostu filtrem dolnoprzepustowym, a pożądane odcięcie pasma przepustowego od dołu (na częstotliwości około 100 Hz) uzyskuje się dzięki wielokrotnym szeregowym sprzężeniom pojemnościowym w poprzednich stopniach przetwarzania sygnału. Jak wynika z przedstawionych danych tabelarycznych oraz wykresu, górna częstotliwość graniczna tego filtru jest zbliżona do około 2,6 kHz (200 Hz więcej od zakładanej Fg=2400 Hz), jednak w połączeniu z dolnoprzepustowymi własnościami wcześniejszych stopni przetwarzania sygnału będzie ona odpowiednio niższa. Podobny efekt niedokładności odwzorowania pierwotnego projektu można zaobserwować w przypadku filtru wąskopasmowego, którego częstotliwość środkowa leży około 1200 Hz (aż 500 Hz więcej od zakładanej Fo=700 Hz), a pasmo przenoszenia jest rzędu 600 Hz, czyli aż 250 Hz więcej od zakładanego w prototypie filtru pasma B=350 Hz. Co prawda uzyskane w obu przypadkach rezultaty w żadnym stopniu nie uniemożliwiają skutecznego odbioru, to jednak w tym miejscu należy wyraźnie podkreślić fakt, że zastosowane w projekcie tzw. filtry kratowe (Sallena-Keya) są bardzo wrażliwe na wszelkie odstępstwa wartości zastosowanych elementów RC od parametrów wyliczonych dla ich teoretycznych wzorców. Oczywiście, odstępstwa te mogą wiązać się zarówno z zaokrągleniami projektowymi, wynikającymi z dostępności elementów RC o konkretnych wartościach, jak i z tolerancją wartości użytych podzespołów.
Możliwości rozbudowy odbiornika
Konstrukcja opisanego w artykule urządzenia radiowego zasadniczo może wydawać się znacznie bardziej skomplikowana, niż jest to konieczne do uzyskania poprawnego odbioru sygnałów w pasmie amatorskim 80 m w najprostszy możliwy sposób. W szczególności, poza zastosowanymi rozwiązaniami układowymi w kluczowym tutaj torze przetwarzania sygnału radiowego na sygnał audio (wzmacniacze, mieszacz i filtry), odmiennymi od dość popularnych aplikacji jednoukładowych (tzn. z zastosowaniem pojedynczego, specjalizowanego układu scalonego), zainteresowanie mogą budzić dwie opisane dalej cechy konstrukcji.
Pierwsza z nich to użycie podwójnego (z założenia: stereofonicznego) układu scalonego wzmacniacza końcowego audio oraz brak wbudowanych głośników. Takie rozwiązanie pozwala na eksploatację prezentowanego odbiornika nasłuchowego wyłącznie z użyciem zewnętrznych słuchawek - a tym samym uniknąć wszelkich problemów związanych z montażem niemałych głośników wewnątrz obudowy urządzenia (potencjalne konsekwencje takiego rozwiązania to znaczny wzrost rozmiaru obudowy oraz konieczność zmierzenia się z problemem pasożytniczych sprzężeń elektromagnetycznych, pochodzących od toru sygnałowego: wzmacniacz audio - wbudowane głośniki). Jakkolwiek możliwe jest wciąż komfortowe dołączenie dwóch głośników zewnętrznych o odpowiednich parametrach i praktycznie dowolnych rozmiarach, przy zachowaniu kompaktowej (zwartej) konstrukcji radioodbiornika.
Drugą, mogącą budzić zaintrygowanie Czytelników cechą jest buforowanie i wyprowadzenie na zewnątrz urządzenia (poprzez gniazdo BNC - port J6) wewnętrznego sygnału cyfrowego, pochodzącego z generatora VFO. Jak wspomniano we wcześniejszej części artykułu, takie rozwiązanie ma na celu przede wszystkim udostępnienie tego sygnału do ciągłego pomiaru częstotliwości Fvfo - bez szkodliwego wpływu na jej wartość (praktyczny brak ingerencji w pracę generatora). Innym przeznaczeniem tego rozwiązania konstrukcyjnego może być jednak bezinwazyjne dla odbiornika „zasilenie” sygnałem z oscylatora VFO zewnętrznego układu nadawczego (przystawki nadawczej). Co prawda taka przystawka nadawcza mogłaby zostać wyposażona we własny (osobny) generator VFO, jednak w przypadku zastosowania takiego rozwiązania niewątpliwie wystąpiłyby poważne trudności z synchronizacją obu generatorów VFO w odbiorniku RX (Receiver) oraz w nadajniku TX (Transmitter) na dokładnie tę samą częstotliwość roboczą Fvfo=Frx=Ftx.
Rysunek 10 ukazuje schemat blokowy koncepcji rozbudowy przedstawionego w tym artykule odbiornika o przystawkę nadawczą (AVT6032). Widać na nim trzy połączone ze sobą urządzenia: odbiornik RX, nadajnik TX oraz wspólny zasilacz (AVT5992), dostarczający stabilizowanego napięcia stałego +12 V. Odbiorczo-nadawczy, wspólny tor antenowy został w tym przypadku podłączony do przystawki nadawczej (TX), w której - podczas odbioru - jest on przełączony wprost na wejście odbiornika RX (tzw. połączenie „bypass”, czyli obejście). Natomiast w momencie załączenia nadawania wejście antenowe odbiornika blokowane jest do mas obu urządzeń - celem uniknięcia uszkodzenia wrażliwych obwodów odbiornika oraz (w najlepszym przypadku) eliminacji dokuczliwych zakłóceń dźwiękowych. Po załączeniu nadawania przystawka nadawcza TX do modulacji dwuwstęgowej DSB korzysta jednak z sygnału z generatora Fvfo odbiornika RX, tym samym zachowując spójność częstotliwości roboczych: odbioru i nadawania.
Całość systemu uzupełnia wspólny zasilacz, dostarczający tandemowi urządzeń nadawczo-odbiorczych stabilizowanego napięcia stałego +12 V, przy czym z założenia ma to być kompaktowy zasilacz buforowy 12 VDC/12 VDC, mający w swojej konstrukcji blok wysoko wydajnych akumulatorów Li-Ion, a także niewielkie przetwornice impulsowe DC-DC (step-down oraz step-up), zaimplementowane odpowiednio w torze ładowania akumulatorów oraz w torze ich obciążenia. Razem z wyjściowym stabilizatorem liniowym typu LDO (Low Drop-Out voltage) zapewnią one zarówno wysoką sprawność przetwarzania energii elektrycznej, jak i bardzo dobrej jakości (niezakłócone oraz wysoce stabilne) napięcie zasilające +12 V dla odbiornika i nadajnika. Opisana koncepcja rozbudowy samego odbiornika RX do modułowego systemu nadawczo-odbiorczego TRX (Transceiver’a) pozwoli rozłożyć w czasie zarówno materialne (finansowe) koszty realizacji całego systemu, jak i wysiłki związane z jego poprawnym wykonaniem, a także uruchomieniem. Jakkolwiek należy w tym miejscu podkreślić fakt, że o ile wykonywanie radioamatorskich nasłuchów w zasadzie nie wymaga uzyskania żadnej licencji, o tyle już emitowanie (nadawanie) jakichkolwiek sygnałów w pasmach dedykowanych „krótkofalowcom” bez posiadania stosownego pozwolenia radiowego nie jest zgodne z obowiązującymi przepisami.
Podsumowanie projektu
W trzeciej i ostatniej części publikacji poświęconej odbiornikowi nasłuchowemu „RX Kubuś 80” zaprezentowano metodykę oraz rezultaty wybranych pomiarów kontrolnych odbiornika. Przy tej okazji omówiono także związki pomiędzy wybranymi rozwiązaniami układowymi oraz wpływem jakości realizacji (wykonania czy odwzorowania) projektu na uzyskane parametry robocze. W ostatniej części artykułu nakreślone zostały także możliwości dalszej rozbudowy odbiornika o dedykowaną przystawkę nadawczą (AVT6032) i z zastosowaniem specjalnie przeznaczonego zasilacza buforowego (AVT5992). Autor w tym miejscu chciałby serdecznie podziękować Panu Redaktorowi inż. Przemysławowi Muszowi za życzliwe podejście do całego projektu, a także okazane wsparcie, które wielokrotnie zmaterializowało się w formie słowa zachęty do kolejnych prac badawczo-rozwojowych, a - w konsekwencji - licznych działań twórczych.
Adam Sobczyk SQ5RWQ
sq5rwq@gmail.com
