2.3.7. Цифровая шкала и система стабилизации частоты ГПД

В рассматриваемом трансивере индикация частоты, на которой производится прием и передача, осуществляется с помощью цифрового измерителя частоты, или, как принято называть такое устройство радиолюбителями, цифровой шкалы.

Преимущество цифровой шкалы перед ранее применявшимися механическими шкалами различных конструкций (включая и фотошкалы) в том, что она всегда показывает истинное (с точностью, определяемой стабильностью входящего в его состав эталонного генератора с кварцевой стабилизацией частоты) значение, которое может меняться при уходе частоты ГПД, использовании «расстройки». Цифровая шкала рассматриваемого трансивера имеет дискретность отсчета частоты 1 кГц — значение, практически недостижимое для механической шкалы, изготовленной в радиолюбительских условиях. При такой дискретности отсчета, если не устанавливать частоту трансивера на крайние значения частот разрешенных диапазонов (например, при работе на диапазоне 160, 1830 и 1930 кГц), гарантируется невозможность выхода за пределы любительского диапазона.

Появление доступных радиолюбителям цифровых быстродействующих микросхем с повышенной степенью интеграции позволило создать цифровую шкалу, сложность и стоимость изготовления которой не превышают сложности и стоимости изготовления хорошей механической шкалы. Большим достоинством цифровой шкалы для радиолюбительской конструкции является и то обстоятельство, что стандартные красивые цифровые индикаторы значительно улучшают внешний вид трансивера.

Принцип действия цифровой шкалы поясняет ее структурная схема, приведенная на рис. 2.47.

Структурная схема цифровой шкалы
На вход цифровой шкалы поступает синусоидальное напряжение от ГПД, которое при фиксированном значении ПЧ и определяет частоту, на которой осуществляются прием и передача (включая и случай, когда включена расстройка). Формирователь импульсов преобразует синусоидальное напряжение с выхода ГПД в последовательность коротких импульсов, частота следования которых равна частоте ГПД-U1. На рис. 2.48 приведены осциллограммы этого и других напряжений, указанных на рис. 2.47.

Схема цифровой шкалы (1)Генератор импульсов эталонной длительности в соответствии со своим наименованием вырабатывает импульсы, длительность которых поддерживается постоянной и известна с большой точностью. Эти импульсы подаются на устройство управления, которое вырабатывает три сдвинутых во времени импульса — импульс интервала счета U2, импульс обнуления счетчика U4 и импульс записи результата счета — в устройство его хранения U5. Импульсы U1 и U2 подаются на устройство совпадения, и на его выходе формируется пакет импульсов U3. Предположим сначала для простоты рассмотрения работы устройства, что длительность импульса U2 (интервал времени от t1 до t2, рис. 2.48) равна 1с. Тогда число импульсов в пакете U3 будет равно числу герц частоты ГПД fx. Импульс U3 поступает на вход счетчика, на выходе которого формируется цифровой код числа импульсов, поступивших на счетчик после его обнуления В момент t1 счетчик обнулен, и к моменту t2 меняющийся в течение времени от t1 до t2 цифровой код на его выходе равен числу герц измеряемой частоты fx.

Цифровой код fx поступает в устройство хранения результата счета и его индикации. На это же устройство поступает импульс записи U5. Этот импульс, как видно из рис. 2.48, вырабатывается в интервале t2 — t3 до начала расположенного в этом же интервале импульса обнуления счетчика U4. Поэтому в устройстве хранения результатов счета оказывается записанным значение fx, которое было в отрезке времени от t1, до t2. После окончания импульса U2, начавшегося в момент t3, результат счета обновится. Цифровое значение измеренной частоты преобразуется в напряжения, поступающие на электроды цифровых индикаторов, и считывается оператором Рассматривая работу цифровой шкалы, мы приняли длительность импульса U2 равной 1 с. В этом случае точность отсчета частоты равна 1 Гц. Но даже если интервал t2 — t3 будет значительно меньше 1 с, период обновления показаний цифровой шкалы будет немного больше 1 с. Для упрощения устройства управления удобно взять интервал между импульсами U2 равным их длительности. В этом случае время обновления показаний шкалы будет 2 с. При работе с такой шкалой очень неудобно определять текущее значение частоты в процессе перестройки трансивера. Но ведь точность отсчета частоты 1 Гц для любительской радиосвязи не нужна. Поэтому можно уменьшить) период обновления показаний цифровой шкалы за счет уменьшения точности ее определения. Действительно, если длительность импульса U2 уменьшить до 0,1 с, число импульсов в пачке U3 станет равно числу десятков Гц, которое и может быть определено цифровой шкалой. При простом устройстве управления время обновления информации будет 0,2 с. При точности 100 Гц время обновления показаний 0,02 с и т. д.

Полная схема цифровой шкалы (узел 6 трансивера) приведен на рис. 2.49. Формирователь импульсов собран на транзисторах VT4 — VT6. Сравнительно сложная схема формирователя импульсов нужна потому, что кроме своего основного назначения — превратить синусоидальное напряжение от ГПД, поступающее на выводы 8, 9, в последовательность импульсов, с которыми работают цифровые схемы, — он должен обеспечить изоляцию ГПД от цифровой шкалы. Это объясняется следующим: быстродействующие цифровые схемы, работающие в шкале, вырабатывают большое число импульсов с различной длительностью, и у всех этих импульсов очень крутые фронты, а следовательно, широкий спектр частот. Если эти спектры попадут в ГПД, то создадут большое число ложных каналов приема и излучения, да и сами будут слышны как шумы во всех диапазонах и как «попискивающие» с тактом работы шкалы сигналы на отдельных точках в этих диапазонах.

Схема цифровой шкалы (2)Первый каскад формирователя собран на полевом транзисторе с двумя затворами, имеющем очень маленькую проходную емкость. Следующий за этим каскадом эмиттерный повторитель благодаря своему низкому выходному сопротивлению обеспечивает малый уровень наволок на резисторе R13. Кроме того, сочетание высокой крутизны характеристики VT4 с большим входным сопротивлением каскада на VT5 обеспечивает достаточно большое (около 5) усиление от вывода 8 до точки соединения R 13 и С8.

Каскад на VT6, питаемый тем же напряжением, что и микросхемы цифровой шкалы, формирует импульсы с амплитудой, близкой к значению этого питающего напряжения, что и необходимо для нормальной работы цифровых устройств.

Основным устройством цифровой шкалы является генератор частоты 5000 кГц, собранный на полевом транзисторе VT3. Частотозадающим элементом этого генератора является высокостабильный кварцевый резонатор ZQ1. В реальных условиях работы трансивера любительской радиостанции (при нормальной комнатной температуре и отсутствии в трансивере источников выделения тепла, способных заметно изменить температуру кварцевого резонатора) относительный уход частоты генератора на VT3 не превышает 10х10-6. Это обеспечивает абсолютную точность работы цифровой шкалы на самом высокочастотном диапазоне трансивера $\Delta{f}$ = 28х106х10-6 =280 Гц. Полученные значения и определяют целесообразность дискретности отсчета частоты 1 кГц. Переход на дискретность 100 Гц без термостатирования кварцевого резонатора не дает необходимой точности.

Напряжение с частотой 5000 кГц снимается с генератора на VT3 через эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT2, и поступает на смесительный детектор — балансный модулятор трансивера чрез вывод 2 и на формирователь импульсов с частотой повторения 5000 кГц, собранный на транзисторе VT1. Этот каскад аналогичен формирователю импульсов измеряемой частоты на VT6, описанному выше.

Импульсы частоты 5000 кГц с уровнями, обеспечивающими работу цифровых устройств, поступают на вход цепей делителей частоты DD4, DD3, DD2 и DD1. Каждая и этих микросхем — декадный счетчик К155ИЕ1, вырабатывающий импульс на выходе после поступления на его вход каждого десятого импульса. Таким образом, на выходе DD4 импульсы следуют с частотой повторения 500 кГц, на выходе DD3 50 кГц, на выходе DD2 5 кГц и на выходе DD1 500 Гц.

Осциллограммы напряжений в устройстве управления цифровой шкалы
Импульсы с частотой 500 Гц поступают на микросхему DD5 — К155ИЕ2, которую по схеме рис. 3.47 следует отнести к схеме управления цифровой шкалы. DD5 содержит два счетчика с коэффициентами деления частоты на 2 (от входа 14 к выходу 12) и на 5 (от входа 1 к выходу 11). Эти счетчики включены последовательно, образуя еще один делитель частоты на 10 так, что на выходе 11 DD5 образуются импульсы, следующие с частотой 50 Гц. При подсчете числа импульсов, поступающих на вход DD5, на ее выводах 9 и 8 образуются значения соответственно первого и второго разрядов двоичного числа текущего значения импульсов на входе 14. Осциллограммы напряжений на выводах DD5 приведены на рис. 3.50. Импульсы с частотой повторения 50 Гц поступают на счетный вход триггера типа К155ТВ1 — вывод 12 DD 6. На выводе 8 этой микросхемы образуются импульсы, длящиеся от начала импульса, поступающего на счетный вход, до начала следующего импульса на этом входе, т. е. импульсы длительностью 1:50 Гц — 0,02 с. Этот импульс, приведенный на рис. 2.50, является импульсом интервала счета U2 (рис. 2.48).

Импульсы обнуления счетчика и импульс записи результата счета (соответственно U4 и U5, рис. 2 48) формируются следующим образом.

На трехвходовый элемент «И—HE»DD7.1, входящий в микросхему К1551А4, подаются: инвертированный импульс интервала счета с вывода 6DD 6, «двойки» и «четверки» с выводом 9 и 8 DD5. При совпадении всех трех этих импульсов на выходе DD7.1 образуется логический 0. Как видно из рис. 2.50, на выходе DD7.1 формируется отрицательный импульс перед началом интервала счета, который используется в качестве импульса обнуления счетчика.

На входы DD7.3 подаются импульс с вывода 9 DD5 и инвертированный микросхемой DD7.2 импульс с вывода 8 DD5. В результате на выходе DD7.3 формируется отрицательный импульс, расположенный между концом импульса счета и началом импульса обнуления счетчика, который используется в качестве импульса записи результата счета.

Таким образом, микросхемы DD5, DD6 и DD7 образуют устройство управления, вырабатывающее все 3 импульса U2, U4, U5, показанные на рис. 3.48.

Подсчет числа импульсов осуществляется цепью двоично-десятичных счетчиков DD9 — DD14 типа К155ИЕ6. Практически эти счетчики уверенно работают на частотах до 15 000 кГц. Так как высшая частота ГПД равна 24 700 кГц, между входом цепи счетчиков (вывод 5 DD14) и выходом формирователя импульсов измеряемой частоты (коллектор VT6) включен быстродействующий триггер со счетным входом DD8 типа К131ТВ1, практически уверенно работающий до частоты 30 000 кГц. Разрешение на работу этого триггера производится импульсом интервала счета так, что DD8 кроме функции снижения в 2 раза измеряемой частоты выполняет и функции устройства совпадения.

Понижение в 2 раза частоты импульсов на входе счетчика компенсируется увеличением в 2 раза длительности интервала счета, и первая микросхема цепи счетчиков DD14 подсчитывает число сотен герц (для подсчета сотен герц нужна длительность интервала счета 0,01 с, а у нас эта длительность равна 0,02 с). Следующая микросхема цепи счетчиков DD13 подсчитывает число единиц килогерц частоты ГПД и т. д. до DD9, которая подсчитывает число десятков килогерц частоты ГПД.

Поскольку цифровая шкала должна показывать не частоту ГПД, а частоту принимаемого (или передаваемого) трансивером сигнала, в схеме шкалы осуществляется учет значения промежуточной частоты 5000 кГц с помощью использования предусмотренной в микросхемах К155ИЕ6 предварительной установки счетчиков.

На диапазонах 10, 15 и 20 м частота сигнала

fc - fГПД + 5000 (кГц)

а на диапазонах 40, 80 и 160 м

fc - fГПД — 5000 (кГц).

Вывод 1 (рис. 3.49) соединен с SА1...8 (рис. 3.41). На диапазонах 10, 15 и 20 м этот вывод оказывается соединенным с корпусом; на выводы 15 и 10 микросхемы DD9, как и на остальные выводы предварительной установки этого счетчика 1 и 9, поступает логический 0 (напряжение низкого уровня), и счет импульсов в DD9 начинается с числа 0. На выводы 15 и 9 предварительной установки счетчика единиц мегагерц DD10 постоянно подано положительное напряжение логической 1 (напряжение высокого уровня; 5В через резистор R15), а остальные выводы предварительной установки DD10, как и все выводы этого назначения остальных счетчиков К155ИЕ6, соединены постоянно с корпусом. Поэтому на высокочастотных диапазонах подсчет числа импульсов частоты ГПД начинается с 5000 кГц и показания шкалы равны сумме этого числа с частотой ГПД.

На диапазонах 40, 80 и 160 м на выводы 15 и 10 DD9 подается положительное напряжение через R16 и подсчет числа импульсов начинается с 95 000 кГц. После подсчета 50 000 импульсов в цепи счетчиков образуется число 0000,0 кГц, так что на низкочастотных диапазонах показания шкалы равны разности частоты ГПД и 5000 кГц.

Так как частоты ГПД и входящего в состав цифровой шкалы генератора 5000 кГц несинхронны, число импульсов, подсчитанное микросхемой DD14, определяемое положением пачки подсчитываемых импульсов в интервале счета, неустойчиво и от одного интервала счета к другому при постоянстве частоты ГПД может изменяться на 1. Это видно из рис. 3.48 на осциллограмме напряжения U3: первый из подсчитываемых после момента t3 импульс совпал с фронтом U2, и его уровень может оказаться между уровнями, соответствующими логической 1 и логическому 0. Поэтому, как это обычно делается в цифровых шкалах, первый из цепи счетчиков не соединяется с устройством хранения результатов счета и его индикации. Число импульсов, подсчитываемое счетчиком числа единиц килогерц DD13, определяется только старшим разрядом двоичного числа, подсчитанного DD14, так что вероятность неустойчивости числа, снимаемого с DD13, в 10 раз меньше этой вероятности у DD14.

В качестве устройств хранения результатов счета и его индикации использованы преобразователи двоично-десятичного кода DD16—DD20 типа К161ПР2 и семисегментные люминесцентные индикаторы VL1 — VL5 типа ИВ6.

Микросхемы К161ПР2 включают в свой состав устройство хранения некоторых разрядов двоичного числа, запись информации в которое осуществляется по импульсу, поступающему на вывод 7 этих микросхем.

К181ПР2 — это микросхемы с МОП-структурой (требуют осторожного обращения, так как могут быть легко выведены из строя зарядами статического электричества), которые предназначены для работы с отрицательным напряжением питания, подаваемым на их вывод 9. В нашей схеме этот вывод соединен с корпусом, а на другой вывод питания микросхем К161ПР2 — вывод 1 —подано напряжение +24 В. Сопряжение микросхем серии К156 с ТТЛ логикой (логическая 1: 3...5 В, логический 0:0...1 В) с микросхемами серии К161 (логическая 1 — минус 24 В, логический 0 — 0 В) выполнено с помощью инверторов на транзисторах VT7 — VT24 и VT26, коллекторные цепи которых питаются напряжением 24 В. Так как устройство управления вырабатывает отрицательный импульс записи информации, а на вход VT26, выдающего этот импульс на микросхемы DD16—DD20, надо подать положительный импульс, между выводом 8 DD7.3 и базой VT26 включен инвертор, собранный на транзисторе VT27, коллектор которого питается напряжением 5 В.

Так как число десятков мегагерц частоты трансивера может быть равным только 0,2 и I (при «запасе» по частоте на диапазоне 10 м еще и 3), на дешифратор числа десятков мегагерц DD16 поданы от DD 9 только «единицы» и двойки», что экономит два транзистора и четыре резистора.

«Неиндицируемый» счетчик числа сотен через DD14 используется для обеспечения работы системы стабилизации частоты ГПД. Сигналом о необходимости подстройки частоты задающего генератора служит переход от нечетного к четному числу сотен герц. Для формирования этого сигнала «единица» с вывода 3 DD14 (она присутствует при нечетном числе подсчитанных сотен герц и отсутствует при их нечетном числе) поступает на элемент памяти — D—триггер DD15. Запись в этот элемент производится, как и в память микросхем DD16— DD20, по импульсу, снимаемому с коллектора VT27.

Если частота на выходе ГПД превышает какое-либо значение числа с нечетным числом сотен герц, но меньше следующего значения числа (уже с четным значением сотен герц), равна 9100, 35 кГц, то на выводе 16 DD15 будет положительное напряжение, которое откроет транзистор VT25. Потенциал на коллекторе VT25 станет близким к нулю, и начнется разряд конденсатора C1 в ГПД (рис. 2.45) через контакты SA2 (рис. 2.41, SA2 в положении «стаб.») и резистор R56 рассматриваемого устройства цифровой шкалы. Частота ГПД начнет уменьшаться. Как только она станет меньше значения с нечетным числом сотен герц (в нашем примере — 9100,29 кГц), «единица» на выходе 16 DD15 пропадет, VT25 закроется и напряжение на его коллекторе станет равным +12 В. Конденсатор С1 в ГПД начнет заряжаться до перехода частоты ГПД через число с нечетным значением сотен герц, и частота ГПД будет удерживаться у этого значения (в нашем примере будет стабилизирована частота ГПД 9100, 3 кГц, т е. трансивер будет работать на фиксированной частоте 14 100, 3 кГц).

Если при включении режима стабилизации частота ГПД окажется между значениями с четным и нечетным числом сотен герц (например, 9100, 41 кГц), то «единица» на выходе 16DD 15 отсутствует и частота ГПД начнет повышаться до превышения величины с нечетным значением числа сотен герц (в нашем примере до 9100, 5 кГц). Таким образом система стабилизации удерживает частоту ГПД у значений с нечетным числом сотен герц. Проверка реального устройства показала, что при включении режима стабилизации частота трансивера удерживается у фиксированных значений с шагом 200 Гц с отклонением не более — 10 Гц на всех диапазонах.

При включении системы стабилизации частоты и перестройке трансивера конденсатором «настройка» (С13 на рис. 2.41) после прекращения вращения ручки управления частота настройки в течение 1 ... 2 с приближается к ближайшему значению частоты с нечетным числом сотен герц. В самом неблагоприятном случае изменение частоты после прекращения настройки составит 100 Гц. Практическая работа с трансивером показала, что в режиме стабилизации частоты обеспечивается удобная настройка на корреспондентов, работающих как в режиме CW, так и в режиме SSB.