Набор для настройки кварцевых фильтров. Настройка кварцевых фильтров

При проверке и налаживании трактов ПЧ с кварцевыми фильтрами или отдельных кварцевых фильтров у большинства радиолюбителей возникает проблема, где взять тестовый сигнал. Не всегда есть возможность измерить параметры косвенным методом с использованием смесителей приёмника. Не все доступные и относительно недорогие прецизионные, многофункциональные измерительные генераторы перекрывают диапазон частот 30...90 МГц либо стабильность обычных ВЧ-генераторов (с функцией ГКЧ) не позволит ювелирно измерить и наладить характеристики кварцевых фильтров. А чаще всего просто нет такой техники в наличии, и покупать только для этих работ дорогой генератор неразумно.

В данной статье приводится описание двухканального генератора, управляемого напряжением (ГУН) с малым (несколько десятков килогерц) диапазоном перестройки, центральной частотой 2...90 МГц, выходным сопротивлением 50 Ом и выходным сигналом размахом 100...300 мВ. Устройство рассчитано на работу в составе измерителя АЧХ взамен ГКЧ, а также может работать вместе с другим генератором пилообразного сигнала.

Для получения стабильной работы ГУНа в качестве частотозадающих элементов были применены недорогие и доступные керамические резонаторы на частоты 2...12 МГц и дальнейшее умножение частоты. Конечно, современная элементная база позволила бы на DDS-генераторах или генераторах с ФАПЧ решить такую же задачу (с микроконтроллером и соответствующим программным обеспечением), но тогда сложность такого устройства превысила бы сложность проверяемой аппаратуры. Поэтому целью было создание простого генератора с использованием доступных элементов и не заниматься изготовлением катушек индуктивности, а также наладить устройство с помощью простых измерительных приборов.

Устройство разделено на отдельные функциональные узлы, которые можно монтировать или нет, в зависимости от потребностей владельца. Например, если у вас имеется мультифункциональный DDS-генератор, то можно генераторы не собирать и для выхода на конечную частоту обойтись только умножителями частоты и основным фильтром. Во избежание нестабильной работы я рекомендую применить в высокочастотной части исключительно КМОП-микросхемы серии 74АСхх.

Плата устройства (рис. 1) размерами 100x160 мм разработана таким образом, что её можно изготовить односторонней (верхняя сторона, на которой размещены все элементы, кроме проволочных перемычек) или двухсторонней, если планируется использовать устройство на частотах более 25 МГц. Нумерация элементов на принципиальной схеме и плате начинается с цифры, присвоенной узлу, в который они входят. На рис. 2 показан монтаж элементов на одностороннем варианте платы. В этом случае выводы микросхемы в корпусе DIP припаивают со стороны печатных проводников, что требует особой внимательности.

Рис. 1. Плата устройства размерами 100x160 мм

Рис. 2. Монтаж элементов на одностороннем варианте платы

Керамические резонаторы имеют хорошую кратковременную стабильность частоты, позволяющую использовать их сигнал для налаживания кварцевых фильтров и надёжно замерить их крутые скаты. Межрезонансный интервал у таких резонаторов на порядок больше, чем у кварцевых. Их можно без особых проблем тянуть по частоте на +0,3...-2 % от номинального значения. В табл. 1 приведены основные параметры пьезокерамических резонаторов, купленных в 2015 г. в России, и их диапазон перестройки по частоте для случая построения генератора на логических элементах микросхемы 74АС86.

Таблица 1

1) Р - резонаторы серии ZTA, PC - резонаторы серии ZTT (со встроенными конденсаторами), Д - дискриминаторные (для применения в ЧМ-детекторах). 2) С двумя конденсаторами по 280 пФ. 3) С двумя конденсаторами по 20 пФ.

Керамические резонаторы на более высокие частоты (более 13 МГц), очевидно, изготавливают по другой технологии, и их диапазон перестройки по частоте очень мал. У резонаторов серии ZTT есть встроенные конденсаторы, и поэтому перестроить их по частоте гораздо труднее, при этом не всегда можно получить номинальную частоту.

В табл. 2 приведены наиболее распространённые значения частоты ПЧ в различных радиоприёмных устройствах (РПУ) и трансиверах, а также варианты генерирования этих частот с помощью керамических резонаторов. Анализ необходимых коэффициентов умножения или деления выявит необходимость применения умножения на два для расширения числа возможных вариантов и обеспечения качества сигнала.

Таблица 2

Для понимания работы предлагаемых умножителей частоты приведу кратко важные параметры спектров выходных сигналов логических КМОП-элементов серии 74АС. Эти быстродействующие элементы работают при напряжении питания 2...6 В, и без ёмкостной нагрузки минимальная длительность фронта выходных импульсов - 1 нс, что позволяет получить существенные спектральные составляющие вплоть до частоты 250 МГц. При этом выходное сопротивление элементов - около 25 Ом, что облегчает получение значительной энергии высших гармонических составляющих. Передаточная характеристика логических элементов этой серии симметричная, а выходной каскад обладает одинаковой нагрузочной способностью и скоростью переключения для вытекающего и втекающего тока. Таким образом, выходной сигнал логических элементов и триггеров серии 74АСхх до частот 30 МГц можно считать идеальным, и все законы математики, относящиеся к спектрам импульсных сигналов, можно применить на практике с высокой точностью.

Прямоугольный сигнал с одинаковой длительностью импульса t и и паузы t п так называемый меандр (скважность Q = T/t и = 2, где Т - период следования импульсов Т = t и +t п, но иногда используется термин "коэффициент заполнения", обратный скважности К = 1/Q), содержит в спектре, кроме первой гармоники (F 1 = 1/T - основная частота), ещё и нечётные гармоники (2n+ 1)F 1 , где n = 1, 2, 3.... На практике подавление чётных гармоник может достигать 40 дБ без применения особых мер, а чтобы получить подавление до 60 дБ, придётся обеспечить долговременную стабильность параметров элементов с помощью ООС и с дополнительной тщательной регулировкой.

Опыт показал, что делители частоты на два (D-триггеры и JK-триггеры серии 74АСхх, а также делитель частоты 74АС4040) на частотах до 4 МГц обеспечивают такое подавление до 60 дБ. При выходной частоте 30 МГц оно уменьшается до 30 дБ, а на частотах более 100 МГц выраженное подавление чётных гармоник отсутствует.

Поэтому меандр имеет особое значение в умножителях частоты из-за относительной чистоты спектра, что упрощает последующие фильтры. По этой причине в предложенном устройстве предусмотрены элементы настройки симметрии сигнала. Практически идеальные выходные характеристики элементов серии 74АСхх позволяют без применения анализатора спектра с помощью элементов регулировки получить желаемую форму сигнала, измеряя среднее постоянное напряжение на выходе. Подавление чётных гармоник до 40...50 дБ на частотах до 20 МГц получается без проблем.

Измерение скважности (коэффициента заполнения) выходного сигнала можно провести с помощью цифрового мультиметра в режиме измерения постоянного напряжения (R вх ≥ 10 МОм), не меняя при этом предел измерения (рис. 3). Сначала мультиметр калибруют, для этого его через резистор сопротивлением 33...100 кОм подключают к линиям питания (непосредственно к соответствующим выводам микросхемы). Так как входное сопротивление мультиметра 10 МОм, его показания (U к) будут на 0,3...1 % меньше напряжения питания. Резистор вместе со всеми ёмкостями проводов и входа мультиметра образуют ФНЧ для высокочастотного сигнала. Если на выходе логического элемента присутствует импульсный сигнал с Q = 2, мультиметр покажет U вых = 0,5U к. На рис. 4 показан спектр сигнала на выходе генератора микросхеме 74АС86 без особых мер симметрирования, подавление второй гармоники по отношению к первой - около 36 дБ. Для работы с умножителями частоты это не очень хорошо.

Рис. 3. Измерение скважности (коэффициента заполнения) выходного сигнала

Рис. 4. Спектр сигнала на выходе генератора микросхеме 74АС86

Если нарушить симметричность выходного сигнала, можно добиться подавления других спектральных составляющих. Например, при Q = 3 (рис. 5) в выходном сигнале подавляются гармоники, кратные трём (рис. 6). Налаживание такого режима осуществляют также с помощью мультиметра, только надо получить среднее напряжение U вых = 0,333U к (или 0,666U к). Этот вариант особенно интересен, если необходимо получить умножение надваили четыре. На более высоких гармониках затраты на фильтры уже затрудняют практическое применение этого варианта.

Рис. 5. Спектр сигнала

Рис. 6. Спектр сигнала

Таким образом, меандр идеально подходит для получения нечётных гармоник сигнала, вплоть до седьмой. Более высокие уже сильно ослаблены, и их выделение потребовало бы сложных фильтров и усилителей. Вторую и четвёртую гармоники лучше всего получить при скважности выходного сигнала Q = 3. Если в спектре нужны все ближние гармоники, надо настроить Q = 2,41 (К = 41,5%).

Здесь следует важное замечание. Иногда бывает, что в приёмнике "блуждают" помехи от собственной системы ФАПЧ гетеродина или микроконтроллера. Умелым подбором скважности тактового сигнала можно подавить часть мешающих гармоник. Но в целом общий фон гармоник от тактового сигнала можно снизить, если по умолчанию установить его скважность точно Q = 2.

В предлагаемом устройстве в основном применены логические КМОП-элементы, работающие в линейном режиме. Для этого используется режим инвертора (если элемент двухвходовый, второй вход подключают к общему проводу или линии питания) и вводят ООС по постоянному току (рис. 7) для поддержания рабочей точки на середине передаточной характеристики. Резистор R3 обеспечивают ООС, а с помощью резисторов R1 и R2 можно смещать положение рабочей точки на передаточной характеристике. Эта схема также позволяет симметрировать логические элементы серий 74хСТхх, у которых порог переключения около 1,2 В (при напряжении питания 3,3 В). Критерий правильной настройки - установление выходного напряжения на 50 % от питания. Сопротивление резистора R2 выбирают как можно больше, чтобы он меньше влиял на входные сигнальные цепи.

Рис. 7. Схема устройства

Крутизна передаточной характеристики соответствует коэффициенту усиления по напряжению 30...40дБ. Поэтому входной сигнал напряжением несколько десятков милливольт уже приводит к изменению выходного от нуля до максимума. Чтобы уменьшить шумы при переключении из одного состояния в другое, на входе надо обеспечить определённую скорость нарастания сигнала (для серии 74АСхх - около 125мВ/нс). При этом существует нижняя граничная частота, при которой во время прохождения через активный участок характеристики не возникают мешающие шумы или самовозбуждение.

Если на входе логического элемента включён параллельный LC-контур, допускается подача более низкочастотных входных сигналов без возникновения шума. При напряжении питания 3,3 В на частоте 3 МГц минимальный размах напряжения - 0,5...1 В. Для работы на более низких частотах надо использовать логические элементы серий 74НСхх, MM74Схх, 40хх.

На основе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (микросхема 74АС86) можно легко сделать умножитель частоты на два, если сигнал подавать на один вход напрямую, на другой вход - через линию задержки на основе RC-цепи (рис. 8). Если постоянная времени RC-цепи (τ) существенно меньше периода следования импульсов Т, на выходе получим короткие импульсы при каждом перепаде входного напряжения, т. е. число импульсов (а значит, и их частота) увеличилось в два раза. С увеличением задержки (постоянной времени RC-цепи) на конденсаторе С1 сигнал становится треугольным и уменьшается его амплитуда, поэтому точность переключения снижается и ухудшается качество сигнала - фронты "плавают" с шумом. Такой умножитель работает стабильно при τ

Рис. 8. Умножитель частоты

Ещё более чистый спектр выходного сигнала будет в случае Q = 3 (рис. 9). При этом умножитель "выдаст" на выходе гармоники на частотах 2F 1 , 4F 1 , 8F 1 , 10F 1 , 14F 1 , 16F 1 и т. д.). Практическое значение имеют только гармоники на 2F 1 и 4F 1 , а подавление гармоник с частотами F 1 , 3F 1 , 5F 1 и 6F 1 выручает. При этой настройке на выходе должно быть U вых = 0,333U к.

Рис. 9. Спектр выходного сигнала

Рис. 10. Спектр сигнала

Структурная схема измерительного генератора показана на рис. 11. В схеме предусмотрены два генератора (G1, G2) одинаковой конструкции для расширения функциональных возможностей прибора. После них в умножителе-делителе частоты U1 или умножителе частоты U2 происходит промежуточное умножение частоты. Коэффициент умножения равен одному, двум, трём или четырём. Кроме того, в умножителе-делителе частоты U1 перед умножением частоту сигнала можно поделить на два или четыре. В смесителе на выходе элемента DD1 и после ФНЧ Z3 (частота среза - 100 кГц) формируется сигнал на частоте F = |n 1 F гун1 - n 2 F гун2 |. Смеситель также работает на гармониках.

Рис. 11. Структурная схема измерительного генератора

В модуляторе работают элементы DD2, DD3, Z1 и Z2, они формируют необходимую скважность сигнала для последнего этапа умножения. При скважности Q = 2 элементы Z1 и Z2 не нужны. DD4 и DD5 работают как буферные усилители, кроме того, в них можно осуществить импульсную модуляцию.

Генератор G3 формирует короткие импульсы для имитации импульсных помех, он активируется высоким уровнем сигнала SPON. Если его частоту уменьшить в 100...1000 раз (увеличением ёмкости соответствующих конденсаторов), в РПУ можно наладить динамику АРУ или шумоподавителя.

С помощью фильтров Z4 и Z5 выделяется нужная гармоника, а усилители А2 и А3 придают сигналам необходимый уровень. На выходе GEN-3 можно создать комбинированный сигнал с помощью перемычек S1 и S2.

Блок питания (БП) обеспечивает напряжением 3,3 В узлы устройства, а также есть выход напряжения +3,9 В для питания проверяемой маломощной аппаратуры (радиоприёмники TECSUN, DEGEN и др.) На вход блока питания можно подавать напряжение +5 В от USB-порта или зарядного устройства сотового телефона, а также от нестабилизированного сетевого блока питания с выходным напряжением 5...15 В. Ток, потребляемый устройством, зависит от частоты генераторов и не превышает 70 мА в полной комплектации.

В следующей части статьи будут приведены подробное описание схемы устройства и некоторые конкретные примеры его комплектации для работы на часто встречающихся ПЧ в радиолюбительских РПУ

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 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 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 .

Но не только за рубежом уделялось внимание кварцевым фильтрам. В. Жалнераускас опубликовал на страницах журнала «Радио» цикл статей , 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 . «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 стр. 39, может быть заменён эквивалентной схемой замещения (рис. 1) с соответствующими параметрами.

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора.

Эти параметры связаны между собой следующей зависимостью:

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 . Основным достоинством этих фильтров перед фильтрами с характеристиками Баттерворта является меньший коэффициент прямоугольности при одинаковом количестве колебательных контуров.

Табл. 1

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.

Рис. 3. Зависимость АЧХ от Rd

Таблица 3.

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 сайт (). Эта программа позволяет рассчитать параметры трёх, четырех, шести и восьми кристальных фильтров с характеристиками Баттерворта и Чебышева по методике, описанной в и , и построить амплитудно-частотные характеристики проектируемых фильтров. В расчётах использованы коэффициенты из таблиц . 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 .

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 . 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.

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 .

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:

Fo=8861,736 кГц

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 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 .

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; АЧХ3 - 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. .

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.

В заключение автор выражает свою глубокую благодарность и признательность Дмитрию Курносову (г. Северодвинск) за сотрудничество при создании программы. Также хочется высказать слова благодарности Владимиру Полянскому (u102835 (at) dialup.podolsk.ru ) и Игорю Афанасьеву (UN9GW (at) mail.ru ) за советы и конструктивные критические замечания, сделанные в ходе обсуждения материалов при подготовке последних версий программы.

Список литературы

1. Hardcastle J. A. (G3JIR) «Ladder crystal filter design»; «Radio Communication», February 1979.
2. Dr. Ulrich L. Rohde (DJ2LR) «Crystal Filter Design with Small Computers»; «QST» May 1981.
3. Жалнераускас В. (UP2NV) «Кварцевые фильтры на одинаковых резонаторах»; «Радио» №1,2,6-1982, №5,7-1983.
4. Матханов П. Н. «Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи»; Москва, «Высшая школа», 1972.
5. Глюкман Л. И. «Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы»; Москва, «Радио и связь», 1981.
6. Бунин С. Г. (UB5UN), Яйленко Л. П. (UT5AA) «Справочник радиолюбителя-коротковолновика»; Киев, "Техника", 1984.
7. Ханзел Г. Е. «Справочник по расчёту фильтров»; Москва, «Советское радио», 1974.
8. Гончаренко И. (RC2AV) «Совмещение полос пропускания SSB/CW в кварцевом фильтре с переменной полосой пропускания»; «Радиолюбитель» №11-1991.
9. Дроздов В. В. (RA3AO) «Любительские КВ трансиверы»; Москва,«Радио и связь», 1988.
10. Белых А. В. (UA1OJ) «Балансный смеситель»; «Радiоаматор» №2-2001.

При реализации частотных фильтров необходимо учитывать особенности их применения. Ранее мы уже рассмотрели, что активные фильтры (чаще всего ) удобно применять для реализации относительно низкочастотных фильтров. удобно применять в диапазоне частот от сотен килогерц до сотен мегагерц. Эти реализации фильтров достаточно удобны при изготовлении и в ряде случаев могут перестраиваться по частоте. Однако они обладают малой стабильностью параметров.

Значение сопротивления резисторов в фильтре не является постоянным. Оно меняется в зависимости от температуры, влажности или при старении элементов. То же самое можно сказать и про значение емкости конденсатора. В результате меняются частоты настройки полюсов фильтра и их добротности. Если есть нули коэффициента передачи фильтра, то их частоты настройки тоже меняются. В результате этих изменений фильтр меняет свою . Про такой фильтр говорят, что он "разваливается"

Подобная ситуация происходит и с пассивными LC фильтрами. Правда в LC фильтрах зависимость частоты полюса или нуля меньше зависит от значения индуктивности и емкости. Эта зависимость пропорциональна корню квадратному в отличие от линейной зависимости в RC схемах. Поэтому LC схемы обладают большей стабильностью параметров (приблизительно 10 −3).

При применении некоторых мер (таких как применение конденсаторов с положительным и отрицательным ТКЕ, термостабилизация) стабильность параметров описанных фильтров можно улучшить на порядок. Тем не менее при создании современно аппаратуры этого недостаточно. Поэтому, начиная с 40-х годов XX века велись поиски более стабильных решений.

В процессе исследований выяснили, что механические колебания, особенно в вакууме обладают меньшими потерями. Были разработаны фильтры на музыкальных камертонах, струнах. Механические колебания возбуждались, а затем снимались катушками индуктивности при помощи магнитного поля. Однако данные конструкции оказались дорогими и громоздкими.

Затем преобразование электрической энергии в механические колебания стали делать при помощи магнитострикционного и пьезо эффектов. Это позволило снизить габариты и стоимость фильтров. В результате исследований выяснили, что наибольшей стабильностью частоты колебаний обладают пластинки кварцевых кристаллов. Кроме того, они обладают пьезоэффектом. В результате к настоящему времени кварцевые фильтры являются самым распространенным видом высококачественных фильтров. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора

Одиночные кварцевые резонаторы редко используются в кварцевых фильтрах. Такое решение используется обычно радиолюбителями. В настоящее время намного выгодней купить готовый кварцевый фильтр. Тем более, что на рынке обычно предлагаются фильтры на наиболее распространенные промежуточные частоты. Фирмы-производители кварцевых фильтров для сокращения габаритов используют другое решение. На одной кварцевой пластине напыляется две пары электродов, которые образуют два резонатора, связанные между собой акустически. Внешний вид кварцевой пластинки с подобной конструкцией и чертеж корпуса, куда она размещается приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид кварцевой пластинки с двумя резонаторами, чертеж корпуса и внешний вид кварцевого фильтра

Подобное решение получило название кварцевой двойки. Простейший кварцевый фильтр состоит из одной двойки. Её условно-графическое обозначение приведено на рисунке 3.

Рисунок 3. Условно-графическое обозначение кварцевой двойки

Кварцевая двойка по электрическим параметрам эквивалентна схеме полосового фильтра с двумя связанными контурами, приведенной на рисунке 4.

Рисунок 4. Двухконтурная схема фильтра, эквивалентная кварцевой двойке

Отличие заключается в достижимой добротности контуров, и, следовательно, полосе пропускания фильтра. Выигрыш особенно заметен на высоких частотах (десятки мегагерц). Кварцевые фильтры четвертого порядка выполняются на двух двойках, связанных между собой при помощи конденсатора. Вход и выход этих двоек уже не эквивалентен, поэтому обозначается точкой. Схема данного фильтра приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема кварцевого фильтра четвертого порядка

Фильтры L1C1 и L2C3 как обычно предназначены для трансформации входного и выходного сопротивления и приведения их к стандартному значению. Подобным же образом строятся кварцевые фильтры восьмого порядка. Для их реализации используют четыре кварцевых двойки, но в отличие от предыдущего варианта фильтр выполняется в одном корпусе. Принципиальная схема подобного фильтра приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Принципиальная схема кварцевого фильтра восьмого порядка

Внутреннюю конструкцию кварцевого фильтра восьмого порядка можно изучить по фотографии фильтра со снятой крышкой, которая приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Внутренняя конструкция кварцевого фильтра восьмого порядка

На фотографии четко просматриваются четыре кварцевых двойки и три конденсатора поверхностного монтажа (SMD). Подобная конструкция используется во всех современных фильтрах, как проникающего, так и поверхностного монтажа. Ее применяют как отечественные, так и зарубежные производители кварцевых фильтров. Из отечественных производителей можно назвать ОАО "Морион", ООО НПП "Метеор-Курс" или группу предприятий Пьезо. В списке литературы приведены некоторые из зарубежных производителей кварцевых фильтров. Следует заметить, что приведенная на рисунке 7 конструкция легко реализуется и в корпусах поверхностного монтажа (SMD).

Как мы видим, сейчас нет проблем купить готовый кварцевый фильтр с минимальными размерами и по приемлемой цене. Их можно использовать для проектирования высококачественных приемников, передатчиков трансиверов или других видов радиооборудования. Для того, чтобы легче ориентироваться в типах предлагаемых на рынке кварцевых фильтров, приведем график типовых зависимостей амплитудно-частотной характеристики от числа резонаторов (полюсов), приведенную фирмой SHENZHEN CRYSTAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL

Рисунок 8. Типовая форма АЧХ кварцевого фильтра в зависимости от числа полюсов

Литература:

Вместе со статьёй "Кварцевые фильтры" читают:

http://сайт/Sxemoteh/filtr/SAW/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/piezo/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/Ceramic/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/Prototip/

Простой и дешевый фильтр для SSB

Воронцов А. RW6HRM предлагает в качестве альтернативы ЭМФ-ам применять простую и главное-дешевую схему кварцевого фильтра. Статья актуальна ввиду дифицита и дороговизны данных элементов.

В последнее время очень часто в Интернет-публикациях встречаются «слезы» начинающих радиолюбителей, мол, трудно достать ЭМФ, это дорого, кварцевый фильтр сделать сложно, необходимы приборы и т.п. Действительно, достать сейчас хороший новый ЭМФ достаточно проблематично, что предлагается на рынке – это глубокое б/у без гарантии нормальной работы, а сваять кварцевый фильтр даже на имеющихся в продаже кварцах на 8,86 МГц не обладая соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой, «на глазок», невозможно. На первый взгляд ситуация не ахти…

Однако есть вариант сделать простой кварцевый фильтр для низкочастотного SSB-передатчика или трансивера достаточно простым и самое главное – недорогим. Достаточно пройтись по радиомагазинам и узреть в продаже «двухножковые» кварцы для пультов ДУ на частоты от 450 до 960 кГц. Данные детали делают с достаточно большими допусками на генерируемые частоты, что дает нам право выбора как используемой промежуточной частоты, так и полосы пропускания делаемого фильтра. Сразу оговорюсь: идея не моя, ранее её апробировал шведский радиолюбитель HARRY LYTHALL, SM0VPO, а я просто сообщаю об этом Вам (предварительно сделав несколько фильтров для себя).

Итак, что нам требуется для подбора кварцев – простой генератор типа «трехточка» и частотомер или радиоприемник с частотомером, перекрывающий любительский диапазон 160 метров. Из кучи кварцев нам требуется выбрать два с разносом генерируемых частот в 1 – 1,5 кГц. Если мы используем кварцы на частоту 455 кГц, то удобнее всего настраиваться на их четвертую гармонику (около 1820 кГц, добиваясь разноса в 4 – 4,5 кГц), а если 960 кГц, то на вторую (1920 кГц, разнос 2 – 2,5 кГц).

Контур CL1 в данном примере является нагрузкой предыдущего каскада УПЧ, это стандартный контур на 455 кГц из любого зарубежного раскуроченного АМ-приемника. Можно также использовать данные из радиолюбительской литературы для самодельных контуров на частоту 465 кГц, уменьшив количество витков на 5%. Точками обозначено начало катушек связи L2 и L3, им достаточно по 10 – 20 витков. Вполне возможно поставить фильтр сразу после смесителя, к примеру, кольцевого на четырех диодах. В этом случае уже получится трансформатор 1:1:1, который можно выполнить на кольце Ф600 с внешним диаметром 10 – 12 мм, количество витков скрученного тройного провода ПЭЛ-0,1 – 10 – 30. Конденсатор С в случае трансформатора, естественно, не нужен. Если второй каскад УПЧ выполнен на транзисторе, то резистор 10 кОм возможно использовать в токозадающей базовой цепи, тогда разделительный конденсатор 0,1 мкФ не нужен. А если этот фильтр использовать в схеме простого радиотракта , то и резистор можно исключить.

Теперь из оставшейся кучи кварцев нам надо подобрать подходящий для опорного генератора. Если к указанным на схеме номиналам мы подберем кварц на 455 кГц, то на выходе фильтра получим нижнюю боковую полосу, если на 454 кГц – верхнюю. Если кварцев больше не осталось, то вполне возможно собрать опорный генератор по схеме емкостной трехточки и, подбирая его частоту, настроить получившийся фильтр. При этом генератор должен быть выполнен с повышенными мерами в части его термостабильности.

Настройку можно производить даже на слух, по несущим радиостанций, но это удовольствие оставим для более-менее опытных «музыкантов». Для настройки хорошо бы иметь звуковой генератор и осциллограф. Подаем сигнал со звукового генератора частотой 3 – 3,3 кГц на микрофонный усилитель (предположим, что фильтр уже стоит в схеме передатчика), подключаем осциллограф на выход фильтра и сдвигаем частоту опорного генератора до тех пор, пока выходной уровень сигнала после фильтра не уменьшится минимально. Далее проверяем нижнюю границу пропускания фильтра, подавая на микрофонный вход частоту 300 Гц со звукового генератора. Кстати, для повышения нижней границы пропускаемой полосы микрофонного усилителя по звуковым частотам, достаточно установить переходные конденсаторы емкостью около 6800 пФ и менее, а для верхней границы в любом случае хорошо бы установить хотя бы однозвенный ФНЧ.

Вот и все. Как видите, вы не понесете больших затрат при изготовлении данного фильтра, а сигнал получится достаточно презентабельный. Конечно, из-за простоты применить его в передатчиках второй категории уже нежелательно, но для 1,8 – 7 МГц его будет более чем достаточно. По результатам измерений эта классическая конструкция полностью совпадает с описанным в справочниках (к примеру, Справочник коротковолновика Бунина и Яйленко) - нижняя часть характеристики несколько затянута. Затухание в полосе пропускания - около 1 - 2 дБ, оно зависит от качества примененных резонаторов. Но если вы найдете еще более дешевый способ выйти в эфир с SSB (кроме фазового) - сообщите

Улучшение АЧХ "Ленинградского" кварцевого фильтра

С. Попов RA6CS