Кварцевые фильтры для трансиверов, приёмников и передатчиков.
Как изготовить своими руками кварцевый фильтр — основной элемент
фильтрового формирователя однополосного SSB сигнала.
Неотъемлемой частью любого однополосного (SSB) передатчика фильтрового типа является узкополосный (с полосой пропускания 2,1. 3 кГц) кварцевый или электромеханический фильтр (ЭМФ), выделяющий одну боковую полосу спектра выходного сигнала. Причём, если раньше наиболее распространённым решением было использование 200. 500 кГц ЭМФ, то за последнее время — 3. 9 МГц кварцевые фильтры практически полностью потеснили низкочастотные ЭМФ в современных конструкциях фильтровых передатчиков и трансиверов.
Какую выбрать частоту и структуру кварцевого фильтра, чтобы избежать сложностей при повторении и настройке, поговорим на этой странице.
Начнём со статьи «Кварцевые фильтры для трансивера» («КВ и УКВ» №12 1998г) под авторством уважаемого Александра Тарасова (UT2FW).
Что из всего этого перечня самое лучшее?
Для того чтобы получить приемлемую работу трансивера на всех девяти диапазонах, наиболее подходящими оказались фильтры на частоты 8,3. 8,6 МГц. При использовании фильтров на частоты ниже 6 МГц приходилось усложнять диапазонные полосовые фильтры, чтобы избавиться от ненужного «мусора» при передаче. Прямоугольности двухконтурного диапазонного полосового фильтра не хватает для требуемой селекции сигнала передатчика, особенно на 24 и 28 МГц.
Осторожно следует подходить к выбору фильтра на частоты, кратные 1 МГц. Так как гармоники «опорника», расположенного на плате контроллера синтезатора, имеют неприятную склонность — «расползаться» по всему трансиверу. И если одна из гармоник (например, пятая или девятая) попадает в полосу прозрачности кварцевого фильтра, избавиться от неё можно только заменой промежуточной частоты.
Неудачна ПЧ, близкая к 9.0 . 9,08 МГц и т.д. Вторая гармоника этой частоты находится в пределах любительского диапазона 18 МГц. При применении ПЧ около 9 МГц также возможны проблемы с приёмом в диапазоне 14 МГц. В результате комбинационных преобразований в смесителе, происходит приём вещательных станций диапазонов 11. 13 МГц.
В результате возник вариант, который показал неплохие результаты при многократном повторении. В качестве основного фильтра, работающего и на приём, и на передачу, применён шестикристальный лестничный фильтр из кварцев в корпусе Б1 (Рис.1).
Рис.1
Почему шесть кварцев, а не принятое количество — 8, 10 и т.д.? Я очень сомневаюсь, что в одноплатной конструкции (без специальных мер экранирования) можно избежать «пролезания» сигнала с входа на выход, например, в десятикристальном фильтре. Цифры в 50. 70дБ удаётся получить, и это подтверждает практика. Шестикристальный фильтр обычно имеет не менее 60 дБ затухания за полосой прозрачности. Этого достаточно для формирования качественного SSB-сигнала и селекции по соседнему каналу, чтобы не перегружались следующие за фильтром каскады усиления.
Немаловажное преимущество у такого фильтра — меньшее затухание в полосе прозрачности, и тем самым удаётся улучшить чувствительность приёмника. При этом худшая прямоугольность оборачивается выигрышем при формировании SSB. Однозначно, сигнал формируется более качественный, нежели при применении фильтра с крутыми скатами.
Фильтр следует изготавливать на полосу прозрачности по уровню -6 дБ 2,45. 2,55 кГц, тогда при приёме уже не возникает ощущение «широких ворот», как с ЭМФ 3,1 кГц (Р399А, Катран), и на передачу SSB-сигнал ещё не будет заужен по полосе.
Предусмотрено дополнительное сужение полосы пропускания фильтра в CW-режиме. Для этого параллельно крайним резонаторам реле подключают дополнительные конденсаторы. При этом характеристика фильтра искажается, верхний скат приближается к нижнему. Таким способом можно получить полосу пропускания 0,6. 0,7 кГц на кварцах с разносом частот параллельного и последовательного резонансов 10. 20 кГц. Если будут применены кварцы с более узким промежутком резонансов, можно надеяться на лучшие CW-характеристики.
Изготовление кварцевых фильтров имеет некоторые особенности. Вариант, когда для фильтра изготавливается печатная плата из стеклотекстолита, представляется мне далеко не лучшим. Опыт показывает, что при установке кварца в стеклотекстолит добротность резонаторов чаще всего падает, что влечёт за собой увеличение затухания в полосе прозрачности фильтра. Кроме того, под каждый стеклотекстолит приходится индивидуально подбирать ёмкости фильтра. Самый простой и не худший вариант — это спаять кварцы между собой корпусами. Паять нужно быстро, чтобы не нарушилась герметизация корпуса, и припой не попал внутрь. Весь монтаж можно произвести на ножках кварцев. Конденсаторы нужно применять малогабаритные, хорошего качества, с минимальным ТКЕ, керамические. В дальнейшем собранный фильтр припаивается к металлизации, оставленной на плате, и накрывается коробкой из лужёной жести, хотя на практике наличие или отсутствие экранирующей коробки ни по приборам, ни на слух обнаружить не удавалось.
Похожий лестничный SSB кварцевый фильтр на частоту 9100 кГц был применён разработчиком коротковолнового трансивера Урал-84 Анатолием Першиным. Правда данный фильтр является восьмикристальным, а вдогонку дополняется ещё одним четырёхкристальным с изменяемой полосой пропускания. Вот как это выглядит:
Рис.2. Фильтр ZQ1
Фильтр ZQ1 имеет следующие параметры:
Полоса пропускания, кГц (на уровне —3 дБ). 2,3
Коэффициент прямоугольности. 1,8
Неравномерность в полосе пропускания, дБ, не более 1,5
Входное сопротивление. Ом. 270
Выходное сопротивление, Ом. 120
Если в фильтре ZQ1 будут использованы кварцевые резонаторы от радиостанции «Гранит» с частотами 9000…9150 кГц, то значения ёмкостей в схеме фильтра могут остаться без изменений.
Рис.3. Фильтр ZQ2
В фильтре ZQ2 полоса пропускания может изменяться. В режиме SSB она равна 2,3 кГц, а в режиме CW, когда параллельно кварцевым резонаторам включены конденсаторы величиной 68 пФ, полоса пропускания сужается до 800 Гц.
Применение двух кварцевых фильтров ZQ1 с полосой пропускания 2,4 кГц и ZQ2 значительно улучшило подавление сигналов вне полосы «прозрачности» фильтров, которое достигло 100 дБ.
Источник
Тема: Кварцевый фильтр — это просто!
Опции темы
Поиск по теме
Кварцевый фильтр — это просто!
Привет всем.
Для будущего трансивера Pic-a-Star+CDG2000 понадобились мне КФ. Готовых нет, значит надо делать самому. Благо, что сегодня все для постоойки хорошего фильтра можно купить или сделать своими руками, не надо ничего «доставать».
Итак ТЗ — набор КФ для CW и SSB, полосы стандартные.
Прежде всего выбор и проверка кварцев. Здесь можно пойти обычным путем — купить резонаторы на 8,86 МГц (ПАЛ). К сожалению, эти кварцы уже становятся дефицитом (по кр. мере у нас), на рынке какие-то остатки неизвестных производителей и качества. У меня лежали еще наверно с прошлого века горсть таких кварцев 8,86.
Прежде всего нужно определить параметры кварцевого резонатора. Не стоит надеяться, что собрав по схеме и номиналам из понравившейся конструкции КФ он заработает как положено. Производителей кварцев сотни и параметры у них отличаются.
Но не стоит заморачиваться с 8,86 — можно и нужно посмотреть, что есть доступного и с помощью, например, программы Ham Tools подобрать по преемлимым уровням пораженок. Далее нужно оценить добротность и качество резонатора. Врядли стоит ожидать от резонатора с неряшливой печаткой потекшей краской хороших параметров. Китайцы научились их клепать как пончики, соответственно и качество может быть самым разным. Так что берем горсть кварцев и проверяем их частоты, если разброс большой и даже из нескольких десятков не найдется шт 6-8 с разбросом 0-30Гц, то желательно не связываться с такими кварцами.
Оценить добротность (а значит и будущие потери в КФ) можно по величине динамического сопротивления. Ниже есть методики его определения. У хороших кварцев это 5-15 Ом. Чем ниже, тем лучше.
Итак, мои 8,86 кварцы оказались ниже среднего уровня прежде всего по добротности и пришлось искать альтернативу. На складе поставщика обнаружил залежавшиеся резонаторы на 6,144 МГц с 6ти летней выдержкой. Замеры показали весьма хорошие результаты по точности, добротности, и собственной емкости. Это резонаторы китайской фирмы CPM http://cpmcn.com/ . В кандидатах были еще «лодочки» от немецкого брэнда Geyer, но добротность у них оказалась никакая, так что на лодочки лучше не смотреть, даже фирменные.
Резонаторы должны быть все одинаковые (одного производителя и партии), а также вылежавшими хотя бы пару лет. Будет очень неприятно, если АЧХ сделанного из новеньких кварцев фильтр через пару лет из-за старения рассыпется.
Для определения параметров можно воспользоваться методикой из следующих программ:
http://www.cqham.ru/gpd.htm
http://www.cqham.ru/lcfd.htm
а также статьей K8ZOA из QЕХ2007 (см прикрепленные файлы).
На этом этапе главное точно измерить частоту последовательного резонанса, собственную емкость кварцедержателя и его динамическое сопротивление. Последнее делается с помощью генератора и милливольтметра замещением кварца на резистор.
Еще одним главным параметром для расчета КФ является динамическая индуктивность кварца. Выше были приведены методики ее определения, но они не точны и нужны для приблизительной оценки. Точная только одна — по предварительно расчитанной индуктивности расчитать и собрать 3-4х кристальный КФ и подогнать в расчете индуктивность до совпадения расчетной полосы с практически измеренной. Я при этом проверял по двум уровням -6 и -30дБ. В моем случае расчетная по частотам последовательного и параллельного резонанса индуктивность получилась 49мГн, а реально она оказалась 37,6мГн.
Я не зря так подробно расписываю этот шаг, так как все дальнейшие результаты напрямую зависят от точности расчетов параметров резонаторов. Здесь как в известном мультфильме — «Лучше день потерять, но за 5 минут долететь».
Теперь самая простая часть — расчет фильтра. Замечательная программа Расчет кварцевых фильтров А. Белых (UA1OJ SK)
http://www.qrz.ru/shareware/detail/483
Программа простая и каждый с ней разберется, нужно только обращать внимание на уровень, по которому расчитывается полоса.
Не стоит стремиться к стандартным частотам полос, например 3100 или 2700 итд. Я при расчете SSB фильтра первоначально заложил полосу 3100, но потом уменьшилее до 3000 так как при такой полосе номиналы конденсаторов оказались близки к стандартым.
На этом же этапе нужно расчитать согласующую цепь, в моем случае нужно было согласовать 900 Ом фильтра с 50 омами тракта трансивера. Проще всего это сделать в программах RFsimm или Mmana.
Весьма полезно просимулировать работу кварцевого фильтра в RFsimm. Эта отличная программа справится и с этим. Единственный минус — программа округляет индуктивность в миллигенри до генри. В моем случае вместо 37,6 мГн в расчет пошло 0,04Гн. Пришлось пересчитать динамическую емкость кварца и смириться с некоторой неточностью. Для проверки сделана идеальная модель и модель с реально отобранными конденсаторами.
Для проверки я сделал фильтр на макетной плате-слепыше с металлилированными отверстиями. Кварцы не запаивал, а укоротив до 5 мм выводы вставил в цанговые панельки (как для микросхем). Это не очень хороший вариант, так как емкость этих контактов существенная, но для отладки методики сойдет. В будущем детали фильтра переедут сразу на печатную плату трансивера и фильтр будет проверен уже на месте.
Конденсаторы надо обязательно проверять, чем точнее к расчетным, тем лучше, но не хуже 2-3%. Я все измерил с помощью FCL и подобрал конденсаторы в пределах 1 процента. Подстроечные конденсаторы не использовал вообще. Если все более-менее точно расчитано и измеряно, то подстроечники не понадобятся. И это действительно так.
Результаты измерений ниже в картинках. Коэф прямоугольности -6 -60 получился на макете 1,8 в конечной конструкции будет еще немного лучше. Затухание в полосе 1,3дБ. Неравномерность в полосе +- 0,2дБ.
Дополнение от 20,12,2009
Все необходимые параметры параметры можно получить с помощью VNA и программы MyVNA. смотрите здесь http://forum.cqham.ru/viewtopic.php?p=396073#396073
Миниатюры
Вложения
ae__oe_168.zip (850.4 Кб, Просмотров: 4015)
ae__oe_168.zip (850.4 Кб, Просмотров: 4015)Источник
Кварцевые фильтры КВ трансивера
Кварцевые фильтры КВ трансивера
Анатолий В. Белых (UA1OJ)
164500,
Северодвинск,
а/я 27
ua1oj (at) atnet.ru
Скачать всю статью в одном файле (MS Word, ZIP) — 1,7 Мб. 10 мин @ 28,8 кБ/сек
Одной из основных задач при создании аппаратуры для любительской КВ и УКВ радиосвязи является селекция, которая решается с помощью различного рода фильтров. Получение высоких параметров фильтров требует применения высокодобротных элементов. Такими элементами служат магнитострикционные диски в электромеханических фильтрах и кварцевые резонаторы в пьезоэлектрических фильтрах. В радиолюбительской практике широкое распространение получили квазиполиноминальные лестничные кварцевые фильтры на одинаковых резонаторах.
Все полосовые фильтры строятся на основании преобразований фильтров НЧ прототипов. Полиноминальные фильтры содержат последовательные и параллельные контуры. Такие фильтры имеют геометрически симметричные характеристики относительно средней частоты. Но при проектировании в ряде случаев (узкая полоса, высокие частоты и др.) не очень удобны с точки зрения конструирования, изготовления и настройки из-за значительной разницы величин элементов последовательных и параллельных контуров. Для достаточно узкополосных фильтров соотношение значений индуктивностей и емкостей в параллельных и последовательных плечах настолько велико, что величины элементов становятся неприемлемыми. Поэтому полосовые фильтры часто реализуются в виде схем, состоящих из только последовательных или параллельных контуров, связанных между собой индуктивными или емкостными связями. Ярким примером могут служить фильтры сосредоточенной селекции – ФСС на связанных контурах и лестничные кварцевые фильтры. Характеристики затухания полосового фильтра на связанных контурах при относительной полосе пропускания, не превышающей 10-20% от средней частоты фильтра, может быть весьма близкой к характеристике затухания полиноминального полосового фильтра с тем же числом колебательных контуров. Расчет таких фильтров может производиться с помощью таблиц [7] полиноминальных НЧ прототипов. Поэтому эти фильтры именуются квазиполиноминальными.
Вопросы проектирования и изготовления квазиполиноминальных лестничных кварцевых SSB и CW фильтров в любительских условиях остаются актуальными на протяжении четверти века. За прошедшее время в печати было опубликовано много статей, посвящённых этой теме. Пионером, признанным специалистом и популяризатором лестничных кварцевых фильтров среди радиолюбителей считается J. Hardcastle (G3JIR). Он одним из первых уделил достойное внимание и вложил много труда и таланта в разработку методики расчёта указанных выше фильтров. Его статья [1] стала бестселлером.
Расчёт и моделирование качественных кварцевых фильтров с заданными параметрами сложная задача, требующая выполнения большого количества математических расчётов. Помочь в решении этой задачи может применение компьютеров. Первым энтузиастом этого направления в радиолюбительской практике стал U. Rohde (DJ2LR). Его знания и опыт в расчёте мостовых фильтров отражен в программе для семейства малых компьютеров и подробно описан в [2].
Но не только за рубежом уделялось внимание кварцевым фильтрам. В. Жалнераускас опубликовал на страницах журнала «Радио» цикл статей [3], в которых осветил новые, нераскрытые его предшественниками, страницы в теории и практике изготовления кварцевых фильтров. Достойное внимание уделили этой теме Бунин С. Г. и Яйленко Л. П. в [6]. «Справочник радиолюбителя-коротковолновика» украинского дуэта, «широко известного в узких кругах», печатался многотысячными тиражами.
C момента выхода в свет указанных выше трудов прогресс, а вместе с ним компьютерные и информационные технологии, глубоко проникли во все области деятельности человека. Не обошли они стороной и радиолюбительское движение. Компьютеры всё больше и больше находят применение в любительской радиосвязи и конструировании. Многие радиолюбители стали применять компьютеры в решении вопросов, связанных с расчётом и проектированием кварцевых фильтров.
Использование компьютерных программ позволяет быстро и качественно выполнить большой объём математических вычислений, провести анализ результатов и выбрать наиболее приемлемый вариант. В Интернете на сайтах, посвящённых любительской радиосвязи можно найти до десятка различных программ по расчёту лестничных кварцевых фильтров. Но в основном эти программы рассчитывают только величины конденсаторов связи и входных сопротивлений проектируемых фильтров. Кроме этого упомянутые программы имеют довольно большую погрешность в результатах расчётов, в некоторых случаях доходящую до 50%. Эта погрешность обусловлена наличием в эквивалентной схеме замещения кварцевого резонатора Cs и Rd (Рис. 1), никак не участвующих в расчётах при использовании упомянутых программ.
При расчёте электрических цепей кварцевый резонатор, согласно [5] стр. 39, может быть заменён эквивалентной схемой замещения (рис. 1) с соответствующими параметрами.
Рис. 1. Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора.
| Ld | динамическая индуктивность резонатора |
| Сd | динамическая ёмкость резонатора |
| Rd | динамическое сопротивление резонатора |
| Cs | статическая ёмкость резонатора |
Эти параметры связаны между собой следующей зависимостью:
| Fo | частота последовательного резонанса; |
| Fp | частота параллельного резонанса |
| Fi | частотный интервал |
| Q | добротность резонатора |
.В радиолюбительской практике получили распространение в основном фильтры с характеристиками двух типов – Баттерворта и Чебышева. Фильтр Баттерворта характеризуется монотонным изменением затухания в полосе пропускания и задерживания. Затухание в полосе задерживания изменяется приблизительно на 6 дБ за октаву для каждого элемента схемы. Например, пятиэлементный фильтр будет иметь затухание 30 дБ при двойной частоте среза и 60 дБ при учетверенной частоте среза. За нормированную частоту среза для фильтра Баттерворта принимается частота, на которой затухание составляет 3 дБ. Такие фильтры характеризуются меньшим «звоном» и в основном применяются для приема CW и при работе цифровыми видами связи (RTTY, AMTOR, PACTOR, PACKET RADIO и т.п.).
АЧХ фильтров Чебышева имеет колебательный характер в полосе пропускания и монотонный — в полосе задерживания. Неравномерность затухания dA в полосе пропускания однозначно связана с максимальным коэффициентом отражения – Котр и коэффициентом стоячей волны — КСВ. Эта связь показана в таблице 1 [7]. Основным достоинством этих фильтров перед фильтрами с характеристиками Баттерворта является меньший коэффициент прямоугольности при одинаковом количестве колебательных контуров.
Табл. 1
| Коэффициент отражения Котр | Коэффициент стоячей волны напряжения в полосе пропускания КСВ | Неравномерность затухания в полосе пропускания фильтра |
| Котр=10% | КСВ=1,222 | dA=0,044 дБ |
| Котр=15% | КСВ=1,353 | dA=0,099 дБ |
| Котр=20% | КСВ=1,5 | dA=0,177 дБ |
| Котр=25% | КСВ=1,667 | dA=0,28 дБ |
Зависимость АЧХ, полосы пропускания, затухания, вносимого фильтром, и коэффициента прямоугольности по уровням -6/-60 дБ от Cs наглядно представлена на рис. 2 и в табл. 2, а от Rd на рис. 3 и в табл. 3. В качестве примера приводятся амплитудно-частотные характеристики восьмикристальных фильтров Чебышева Т08-10-3100 с коэффициентом отражения Котр=10%.
Рис. 2. Зависимость АЧХ от Сs
Таблица 2.
| № п/п | Тип фильтра | Параллельная емкость Cs (пФ) | Расчётная полоса по уровню dF (–3 дБ) (Гц) | Полученная полоса по уровню dF’ (–3 дБ) (Гц) | Затухание в полосе пропускания A(дБ) | Коэффициент прямоугольности по уровням –6/-60 дБ |
| АЧХ1 | Т08-10-3100 | 6,3+0 | 3100 | 2393 | 1,25 | 2499/4522=1,81 |
| АЧХ2 | Т08-10-3100 | 6,3+10 | 3100 | 1603 | 1,67 | 1711/3473=2,03 |
| АЧХ3 | Т08-10-3100 | 6,3+30 | 3100 | 843 | 2,59 | 964/2810=2,91 |
Рис. 3. Зависимость АЧХ от Rd
Таблица 3.
| № п/п | Тип фильтра | Сопротивление резонатора Rd (Ом) | Расчётная полоса по уровню dF (–3 дБ) (Гц) | Полученная полоса по уровню dF’ (–3 дБ) (Гц) | Затухание в полосе пропускания A (дБ) | Коэффициент прямоугольности по уровням –6/-60 дБ |
| АЧХ1 | Т08-10-3100 | 5,7+0 | 3100 | 2393 | 1,25 | 2499/4522=1,81 |
| АЧХ2 | Т08-10-3100 | 5,7+10 | 3100 | 2196 | 3,34 | 2415/4634=1,92 |
| АЧХ3 | Т08-10-3100 | 5,7+30 | 3100 | 1856 | 7,52 | 2223/4869=2,19 |
Анализ полученных данных показывает, что Cs и Rd в значительной мере влияют на полосу пропускания, затухание, вносимое фильтром, и коэффициент прямоугольности. Отсюда вывод, что для качественного фильтра следует подбирать кварцевые резонаторы с минимальными значениями Cs и Rd.
Устранить указанные выше недостатки попытались авторы программы «Расчёт кварцевых фильтров». В мае 2001 года одна из первых версий программы была размещена на сайтах краснодарских (http://www.cqham.ru/ua1oj_d.htm) и QRZ.RU (http://www.qrz.ru/shareware/detail/307). Эта программа позволяет рассчитать параметры трёх, четырех, шести и восьми кристальных фильтров с характеристиками Баттерворта и Чебышева по методике, описанной в [1] и [3], и построить амплитудно-частотные характеристики проектируемых фильтров. В расчётах использованы коэффициенты из таблиц [7]. Положительной отличительной особенностью этой программы является реализация оригинального алгоритма расчёта и построения амплитудно-частотной характеристики квазиполиноминальных лестничных кварцевых фильтров с использованием полной эквивалентной схемы замещения кварцевого резонатора. Алгоритм построен на основе анализа линейных четырёхполюсников, подробно описанного в [4].
Вид одной из последней версии (V-6.1.8.0.) программы представлен на рис. 4. Форму, созданную программой, можно условно разделить на пять функциональных зон. Большую часть площади формы занимают графики АЧХ. Над ними расположены панели с принципиальными схемами фильтров и результатами расчётов. Справа от АЧХ находятся панели исходных данных резонатора и фильтра. В нижней части формы расположен статус-бар, который отражает порядковый номер АЧХ и краткое наименование рассчитанного фильтра, дату и время проведения вычислений, некоторые подсказки по работе с программой.
Рис. 4. Скриншот программы.
Следует пояснить сокращения, принятые в программе:
Амин – минимальное вносимое затухание;
F(Амин) – частота минимального затухания;
А(Fo) – затухание на частоте последовательного резонанса;
dF(-N дБ) – полоса пропускания по уровню – N дБ;
Ck – емкость коррекции при расчёте фильтров со сдвигом полосы.
В дополнение к функциям предыдущих версий в программу введены несколько новых:
1. Сохранение и открытие файла с данными резонатора и фильтра (Рис. 5.);
Рис. 5.
2. Построение с наложением до пяти АЧХ различных фильтров (Рис. 6.);
Рис. 6.
3. В программу введён расчёт и построение АЧХ 4-х, 6-ти и 8-ми кристальных узкополосных фильтров со сдвигом вверх средней частоты полосы пропускания. Идея сдвига полосы пропускания заимствована из [8]. Она заключается в том, что частота последовательного резонанса каждого кварцевого резонатора повышается с помощью включенного последовательно с ним корректирующего конденсатора небольшой емкости (Рис. 7).
Рис. 7.
4. Программа позволяет провести расчёт фильтров с характеристиками Баттерворта и Чебышева с Котр от 10 до 25% (Рис. 8).
Рис. 8.
5. Построение АЧХ производится с точностью до 1 Гц по частоте. Максимальная полоса АЧХ составляет +/-30 кГц. При превышении этого значения, программа выдаёт сообщение об ошибке (Рис. 9).
Рис. 9.
6. В программе имеется возможность с помощью масштабирования просмотреть любой участок АЧХ (Рис. 10). Для этой цели нажатием левой клавиши мыши выделяется прямоугольный фрагмент графика диагонально из верхнего правого угла в левый нижний. Так можно поступить несколько раз, добиваясь необходимого масштаба изображения АЧХ. Возврат к исходному виду производится обратным движением мыши – из правого нижнего угла в левый верхний.
а)
б)
Рис. 10.
Минимальные системные требования для работы программы: Pentium MMX-166MHz, SVGA 800x600x16bit, RAM-16MB, Windows 9x/ME/XP/NT/2000.
Проверка на практике работы этой программы показывает высокую точность результатов расчётов. Погрешность во многом зависит от качества проведения измерений параметров кварцевых резонаторов и может не превышать 2-5%. В качестве примера приводятся результаты расчёта трёх кварцевых фильтров для коротковолнового трансивера, подобного [9].
При изготовлении этих фильтров использовались малогабаритные кварцевые резонаторы UTECH на частоту 8867,238 кГц. Выбор пал на эти резонаторы ввиду высокой точности их изготовления. Разброс по частоте последовательного резонанса в партии из 30 шт. не превышал +/- 150 Гц, а отклонения значений Ld и Cs укладывались в допуск 0,1%. Измерение частоты последовательного резонанса для этих резонаторов дало результат:
С помощью программы было рассчитано несколько вариантов фильтров и наиболее приемлемые изображены на рис. 11.
Рис. 11. Принципиальные схемы и основные параметры фильтров.
ZQ1 – Т08-10-2800, фильтр 8-го порядка, с характеристиками Чебышева, неравномерностью в полосе пропускания dA=0,044 дБ, коэффициентом отражения 10%, расчётной полосой пропускания 2800 Гц, используется в качестве фильтра основной селекции в режиме SSB.
ZQ2 – В06С-760, фильтр 6-го порядка, с характеристиками Баттерворта, с корректирующими емкостями, расчётной полосой пропускания 760 Гц, используется в качестве фильтра основной селекции в режиме CW. Сдвиг вверх средней частоты полосы пропускания относительно опорной частоты составляет 1000 Гц.
ZQ3 – Т04-10-2400, фильтр 4-го порядка, с характеристиками Чебышева, неравномерностью в полосе пропускания dA=0,044 дБ, коэффициентом отражения 10%, расчётной полосой пропускания 2400 Гц, используется в качестве подчисточного фильтра в режиме SSB.
Для изготовления этих кварцевых фильтров потребовалось 18 предварительно испытанных и отобранных резонаторов. Испытание и отбраковку резонаторов проводили с помощью автогенератора «ёмкостная трёхточка» и частотомера (например — Ч3-57 или т. п.). Один из многих вариантов генератора показан на рис. 12.
Рис. 12. Схема автогенератора.
Особенность этой схемы заключается в отсутствии катушки индуктивности. Её функции в этой схеме выполняет кварцевый резонатор. Возбуждается генератор вблизи частоты параллельного резонанса кварца, в зоне, где его реактивное сопротивление носит положительный индуктивный характер. Основное требование к резонаторам на данном этапе – близкие значения частоты, отклонение которой не должно превышать четверти полосы пропускания фильтра. В противном случае получить заданные характеристики будет довольно сложно.
При отборе кварцевых резонаторов обязательным параметром является Cs — статическая ёмкость резонатора, которую можно определить с помощью прибора МТ-4080А, MIC-4070D или т. п. При отсутствии подобных приборов можно воспользоваться несложным генератором, мостовой схемой и индикатором баланса (Рис. 13). Этот прибор позволяет измерить величины Cs и Rd.
Рис. 13. Прибор для измерения Cs и Rd.
В последнюю очередь следует определить динамическую индуктивность Ld кварцевого резонатора. В литературе [1, 2, 3, 5, 6] описано несколько методов определения этого параметра. Наиболее точным и простым из них является моделирование четырёхкристального кварцевого фильтра Баттерворта и по его характеристикам расчёт Ld. Для этого с помощью упомянутой выше программы рассчитывается фильтр, на макете или в реальной конструкции он моделируется и настраивается. В расчётах исходным значением Ld для частот порядка 8-9 МГц можно принять 15-20 мГн. При настройке следует добиться АЧХ по своей форме наиболее близкой к рассчитанной. У настроенного фильтра измеряется полоса пропускания по уровню –3 дБ. Исходные и полученные в результате моделирования данные позволяют определить истинную величину динамической индуктивности кварцевого резонатора Ld. Изменяя в программе исходные значения Ld и dF, добиваются в результатах расчётов величин конденсаторов связи и полосы пропускания, близких к значениям настроенного фильтра. При полном совпадении этих данных Ld примет истинное значение.
ПРИМЕР:
Из партии кварцевых резонаторов выбираем 4 шт. с наиболее близкими параметрами:
Fo=8861,736 кГц; Cs =6,3 пФ; Rd=5,7 Ом.
С помощью программы рассчитываем четырехкристальный фильтр Баттерворта. При заданных исходных значениях:
Ld=15 мГн; dF=2265 Гц;
получили емкости связи в фильтре:
С2=С4=100 пФ; С3=155,5 пФ.
На макете по схеме рис. 16 или в реальном тракте приема трансивера с помощью ГКЧ настраиваем фильтр и измеряем полосу пропускания по уровню –3 дБ. Получили:
dF=3363 Гц.
В программе, изменяя исходные значения только Ld и dF, добиваемся в результатах расчетов:
С2=С4=100 пФ; С3=155,5 пФ; dF=3363 Гц.
Все параметры совпали при:
Ld=10,1 мГн.
Это значение динамической индуктивности кварцевого резонатора следует считать истинным и использовать его в дальнейших расчетах фильтров.
При изготовлении фильтра можно использовать технологию, когда кварцевые резонаторы крепятся пайкой на плату из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита выводами вверх, а все конденсаторы фильтра монтируются между этими выводами и заземляющей поверхностью платы (Рис. 14а).
Рис. 14. Конструкция кварцевого фильтра.
Пайка резонаторов производится в двух угловых точках на предварительно облуженную поверхность платы хорошо прогретым паяльником мощностью 60-80 Вт. Время пайки не должно превышать 2-3 секунд. В противном случае есть риск повредить резонатор. Размеры платы для 8-ми и 6-ти кристальных фильтров — 47,5х25 мм (Рис. 14b), а для 4-х кристального — 25х25 мм. По окончании насторойки фильтров, они закрываются крышками из лужёной жести и для герметичности пропаиваются по периметру. Пример использования 8-ми кристального фильтра можно увидеть в [10].
Настройка фильтров сводится в получении амплитудно-частоных характеристик, близких к рассчитанным с помощью программы. В процессе настройки фильтров использовался самодельный генератор качающейся частоты с медленной, порядка 8-12 Гц, разверткой на базе осциллографа С1-76. На рис. 16 приводится схема, печатная плата и расположение деталей этого ГКЧ.
 | |
| b) | c) |
Рис. 15. Генератор качающейся частоты.
Особое внимание следует уделить согласованию фильтра с каскадами УПЧ. В процессе экспериментов с различными схемами включения фильтров, была выбрана наиболее оптимальная с точки зрения получения заданной АЧХ и минимального затухания. Такая схема представлена на рис. 16.
Рис. 16. Согласование кварцевого фильтра и УПЧ.
Кварцевый фильтр установлен между двумя контурами и имеет в каждый контур неполное включение с помощью емкостного делителя. Крайние ёмкости фильтра при этом входят в состав емкостного делителя. Эти контура позволяют трансформировать активное сопротивление и компенсировать емкостную реактивную составляющую входного импеданса фильтра. В такой схеме согласования обеспечивается режим с минимальными потерями сигнала, что в свою очередь приводит к минимальным шумам в цепях селекции приёмного тракта. Каскад усиления, включенный перед фильтром, рекомендуется установить в стабильный режим по постоянному току. Изменение тока транзистора сопровождается изменением выходного сопротивления каскада. Это приводит к рассогласованию каскада усиления и фильтра. На рис. 17 показаны АЧХ на примере фильтра Т08-10-3100 при различном режиме согласования с отклонением величины Rн в пределах +/-20% от Rопт.
АЧХ1 — Rн=Rопт; АЧХ2 — Rн Rопт.
Рис. 17. Зависимость АЧХ от согласования нагрузок.
Следующий за фильтром каскад усиления на полевом транзисторе имеет большое, порядка десятка килоом, сопротивление, которое слабо изменяется при изменении коэффициента усиления. Поэтому рекомендуется регулируемые каскады устанавливать после фильтра. Для уменьшения коэффициента шума этого каскада первый затвор следует включить непосредственно в контур. Наличие разделительной емкости и высокоомного делителя, задающего режим транзистора по первому затвору, увеличивает напряжение шумов усилителя промежуточной частоты. В усилителях на полевых транзисторах серии КП306, КП350 для обеспечения оптимального режима работы каскада в цепи истока потребуется стабилизированное отрицательное смещение порядка –3…-5 В. Для этой цели можно использовать интегральные стабилизаторы 79L05 или цепочку из нескольких диодов с минимальным дифференциальным сопротивлением типа КД409 или т.п. [10].
На рис. 18, 19 и 20 приводятся реальные амплитудно-частотные характеристики рассчитанных, изготовленных и настроенных фильтров. Результаты настройки фильтров с высокой точностью совпали с результатами расчётов этих фильтров. Это лишний раз показывает, что не только серьезные фирмы с всемирной известностью могут создавать качественные кварцевые фильтры с заданными параметрами. При наличии некоторых навыков работы с паяльником и измерительными приборами радиолюбитель средней квалификации может удовлетворить свои потребности в одном из самых значимых узлов своей аппаратуры – кварцевом фильтре. Причем это ему обойдется как минимум в несколько раз дешевле, нежели приобретение его в сети розничной торговли.
Рис. 18. АЧХ фильтра Т04-10-2400.
Рис. 19. АЧХ фильтра Т08-10-2800.
Рис. 20. АЧХ фильтра В06С-760.
Все желающие ознакомиться с программой «Расчёт кварцевых фильтров» могут загрузить её последнюю демонстрационную версию с по указанным выше адресам. Для получения полной бесплатной версии программы необходимо с помощью утилиты регистрации, которая находится там же, заполнить бланк и выслать его по E-mail: ua1oj (at) atnet.ru. Программа имеет защиту от несанкционированного копирования и распространения, компилируется для каждого зарегистрированного пользователя индивидуально, и работоспособна только на том компьютере, на котором проходила регистрация.
В небольшой журнальной статье сложно подробно ответить на все затронутые вопросы. Каждый из них достоин изложения, как минимум, в большом фолианте. Но если читатели считают, что некоторые из вопросов не раскрыты или не достаточно точно изложены, то автор приглашает всех неравнодушных радиолюбителей к диалогу. Наиболее оперативно можно обмениваться мнениями по E-mail. Работы по совершенствованию программы не прекращаются и все поступившие замечания и предложения не останутся без внимания.
Источник
