Назад
Скачать статью одним файлом
Синтезатор на мс КН1015ПЛ5.
Часть 1.
Данная конструкция синтезатора - экспериментальная.Она разрабатывалась как часть более сложного аппарата.Устройство представляет собой однопетлевую систему ФАПЧ, построенную по классической схеме рис.1

рис.1
Основные компоненты синтезатора,за исключением ГУН и системы управления, реализованы на КМОП микросхеме КН1015ПЛ5В. В ее состав входят:опорный генератор , два делителя с программируемым коэффициентом деления,частотно-фазовый детектор,усилитель-формирователь сигнала ГУН.Параметры мс можно найти на моей основной странице в разделе Справочник.
Диапазон выходных частот синтезатора:
с шагом равным
1кГц-5...131.071 мГц
2кГц-10...262.142 мГц
3кГц-15...393.213 мГц
4кГц-20...524.284 мГц
5кГц-25...655.355 мГц
*По паспортным данным микросхема КН1015ПЛ5В имеет нижнюю граничную частоту по входу сигнала ГУН около 5 мГц,однако по словам сотрудника НИИ,в котором разрабатывалась эта мс , реальное значение может составлять сотни килогерц.
Области применения такой системы могут быть разными:КВ и УКВ связная аппаратура,измерения, охрана различных объектов(радиосигнализация),радиомодемы и др.Некоторые варианты будут рассмотрены далее. Принципиальная схема базового модуля (ГУН и схема управления не показаны)приведена на рис.2

рис.2
Синусоидальный сигнал от ГУН поступает на вывод 19 IC1 через разделительный конденсатор С13. Внутри мс он преобразуется в меандр и делится ДПКД2 до значения частоты сравнения (контрольный выход ДПКД2 - выв.40 IC1).Образцовый сигнал вырабатывается опорным генератором и делится до нужного значения ДПКД1 (контрольный выход ДПКД1 - выв.37 IC1).Далее оба сигнала,опорный и сравниваемый, поступают на ЧФД.На выходе ЧФД (выв.39 IC1) вырабатывается сигнал пропорциональный разности фаз сигналов ГУНа и ОГ.Далее этот сигнал приходит на вход интегратора (выв.41 IC1) где преобразуется в "пилу".С выхода интегратора (выв.42 IC1) управляющее напряжение поступает на варикап ГУНа. Элементы Qz1,C8,C9,C10,C11,R10,CD1-определяют значение частоты опорного генератора.Подавая на вход "расстройка" напряжение в пределах от 0 до 12В можно плавно изменять частоту ОГ.Однако применять такую схему для уменьшения шага настройки крайне нежелательно.О том почему я так считаю- ниже.Если изменять частоту ОГ не требуется можно не устанавливать C9,C10,C11,R10,CD1.Вместо них нужно между выводом 22 IC1 и общим проводом включить конденсатор емкостью около 30 пФ. Вывод 20 - блокировка изменения коэффициентов деления ДПКД1 и ДПКД2.На схеме этот вывод подключен к "+" источника питания через резистор R11 для защиты от "статики".Для блокировки следует соединить выв.20 с "землей".Емкость конденсатора C13 при работе на низких частотах (5мГц < f) нужно увеличить,из-за снижения чувтвительности мс по входу ГУН. Резистор R6 - токоограничительный.R5,C5,C6*,C7* - времязадающие элементы интегратора.C6,C7- подбираются по максимальному подавлению сигнала частоты сравнения в выходном напряжении интегратора.Фильтр на элементах R1,R2,R3,C1,C2,C3 также служит для этой цели. Питание на схему интегратора подается от источника напряжением 9В.Напряжение должно быть хорошо стабилизировано.Наличие в нем пульсаций крайне нежелательно,т.к. приводит к повышению уровня шума в сигнале ГУН. Элементы R12,C12 обязательны т.к. служат для предотвращения "тиристорного эффекта".При возникновении такового из-за импульсных помех по питанию возможны сбои в ДПКД и как следствие потеря схемой синхронизации,т.к. коэффициенты деления могут измениться хаотически(!). Светодиод LED 1 индицирует наличие синхронизма в петле ФАПЧ.При захвате частоты ГУН светодиод не горит. R7,R9 - служат для питания КМОП транзисторов подключенных к выходам обоих делителей. Общее питание + 5 В микросхемы стабилизировано интегральным стабилизатором на мс IC2 типа КРЕН5А. Транзисторы VT1-VT30 - служат для защиты мс от "статики",а также преобразуют входные логические уровни в случае управления ТТЛ сигналами.
Управление.
Оба делителя микросхемы IC1,основной и опорный,управляются двоичным параллельным кодом. Основной делитель - 17-ти разрядный , опорный - 13-ти разрядный.Диапазон КД основного делителя 225...131071 единиц при f оп = 1 кГц , опорного - 3...8191 единиц при f оп = 1кГц.
При всех значениях f оп частота ГУН вычисляется по формуле:
f гун = КД х f оп.
Каждому разряду кода соответствует число на которое делится входной сигнал.Числа эти кратны 2-м в степени n , где n - целое положительное число.
*Если вы не знакомы с двоичной системой счисления , поищите информацию в INTERNET.
Каждому выводу ДПКД присвоено свое значение КД.Сумма всех КД для основного делителя равна 131071 , для опорного - 8191 , при логической "1" на всех выводах управления делителями.
При подаче на какие-либо выводы логического "0" из общей суммы вычитаются те значения,которые соответствуют этим выводам.Таблица соответствия выводов и КД :

Примеры.
1.Установка коэффициента деления опорного делителя.
Во-первых выберем резонатор для ОГ.Пусть значение его резонансной частоты будет равно 4000 кГц.
Во-вторых выберем значение частоты сравнения исходя из требуемого диапазона выходных частот ГУН (см. выше).Для примера выберем f оп = 4 кГц,тогда требуемый КД опорного делителя будет равен 1000. Предположим,мы не ставим перед собой задачу оперативного изменения шага перестройки ГУН, значит,КД можно сделать неизменным. По таблице соответствия для опорного делителя находим, включение каких выводов даст нужный КД:

Требуемый КД получается как сумма чисел: 512+256+128+64+32+8 = 1000. Выводы опорного делителя , которым по таблице соответствует "0" соединяются с общим проводом, остальные остаются свободными.

2.Установка коэффициента деления основного делителя. Если синтезатор должен вырабатывать одну фиксированную частоту,то процедура будет такой же как и для опорного делителя.Если же требуется оперативная смена рабочих частот,то,нам понадобится схема управления. Удобнее всего использовать для этого декаду двоичных реверсивных счетчиков.Из отечественных микросхем имеются два подходящих варианта: К561(564)ИЕ11(КМОП) и К555ИЕ7(ТТЛ).Естественно по экономичности последний уступает,однако,у него проще управление.Счетчик К555ИЕ7 можно заменить идентичным по функциональности и цоколевке К1554ИЕ7(FAST CMOS).
Примерные цены в Москве:
К561(564)ИЕ11(КМОП) 3...11 руб.
К555ИЕ7(ТТЛ) 1.5 руб.
К1554ИЕ7(FAST CMOS) 30 руб.
Так что в зависимости от возможностей можно выбрать разную элементную базу.
Я рассмотрю вариант схемы управления на микросхемах К555(1554)ИЕ7Сразу оговорюсь , что никакого сервиса , кроме перестройки по частоте вверх-вниз и начальной установки частоты синтезатора , в ней нет. Схема приведена на рис.3

рис.3

Конечно 555 серия уступает 561(564) по экономичности,но , еще раз повторюсь,счетчик ИЕ7 проще и в отношении управления и,в отношении конфигурации печатной платы для устройства управления. Тем более,если есть возможность приобрести 1554ИЕ7 , получаем и простоту и малое потребление тока.
Описание работы схемы управления. В момент подачи напряжений питания +5В и +12В через конденсатор С1 имеющий в разряженном состоянии низкое сопротивление и обмотку реле Р1 проходит импульс тока.Реле ,срабатывая, подключает выводы 11 и 14 IC1...IC5 через резисторы R4 и R3 к источнику питания +5В.В результате происходит следующее: по сигналу лог "1" поступающему на выв.14(обнуление) всех микросхем их выходы (выв. 2,3,6,7) устанавливаются в нулевое состояние; затем сигнал лог"0" на выв.11(загрузка) передает на те же выходы 17-ти разрядное двоичное число установленное предварительно на входах D1,D2,D4,D8. Т.к. в данном случае все входы микросхем кроме D1 IC5 соединены с общим проводом , на выходах счетчиков будет следующая комбинация сигналов:

* Казалось бы, схема работать не должна т.к. сигнал загрузки должен приходить после сигнала обнуления, однако,как ни парадоксально, все прекрасно работает.Вообще-то, реле в этой схеме- от бо-о-ольшой лени.:) Для повышения надежности нужно этот узел изготавливать на микросхеме или транзисторах. Один мой хороший знакомый сильно ругался из-за этой релюшки...:))
Синтезатор устанавливает частоту ГУН равной 65536 кГц приf оп = 1 кГц;131072 при f оп = 2кГц и т.д., в соответствии с формулой f ГУН = КД х f оп.
Если теперь подать на входы "UP" или "DOWN" одиночный положительный импульс частота ГУН изменится вверх или вниз на значение опорной частоты.
Если подавать на эти входы пачки импульсов по N штук в пачке, то выходная частота синтезатора будет изменяться с шагом
step = N x f оп
Обычно в ГУН синтезатора используется переключение поддиапазонов с помощью транзисторов или p-i-n диодов синхронно с изменением коэффициента деления посредством дешифраторов.Делать это удобно если ДПКД управляется двоично-десятичным кодом.В данном случае, при управлении двоичным кодом, если количество поддиапазонов невелико ,не превышает 7...10,можно применить этот способ. Однако,когда требуется большое перекрытие по частоте,количество переключений возрастает. Одновременно усложняется схема дешифратора,увеличиваются физические размеры устройства управления. Вдобавок,добиться того ,чтобы значения частот на краях поддиапазонов были "круглыми",крайне трудно. Я отказался от дешифратора и использовал миниатюрный "галетник",благо его цена во много раз меньше, чем за кучу микросхем.Тем более,что не нужно никаких "печаток".В общем - дешево и сердито.:)
Так как в синтезаторе отсутствует устройство индикации , для контроля частоты нужен цифровой частотомер.
При перестройке в пределах любого поддиапазона вверх или вниз управляющее напряжение на варикапе ГУН соответственно увеличивается или уменьшается (положительная характеристика управления).При достижении верхней границы поддиапазона управляющее напряжение достигает своего максимального значения.Если в этот момент переключить ГУН на более высокий по частоте поддиапазон, управляющее напряжние скачком снизится до такого значения ,при котором выходная частота ГУН останется неизменной,т.к. КД останется неизменным.
Это свойство можно использовать таким образом: нанести на шкалу переключения поддиапазонов вокруг ручки "галетника" значения верхних и нижних частот.Например: 10...15; 15...20; 20...25 мГц. И во время работы не выходить за пределы этих частот на соответствующих поддиапазонах. Может быть поначалу это будет не очень удобно,но если привыкнуть :),то перестанешь неудобства замечать.
Еще один способ - использовать счетчик переключающий поддиапазоны по количеству импульсов приходящих на входы "UP" и "DOWN".После прихода N импульсов на соответствующий вход происходит переключение поддиапазов.Здесь я не буду рассматривать такую схему,ибо сам ее не проектировал и не испытывал,однако предполагаю,что ее реализация не очень сложна.

О расстройке в опорном генераторе.
Некоторые авторы, для уменьшения шага перестройки синтезатора по частоте, предлагают вводить расстройку в опорный генератор.
Рассмотрим этот способ.
Достоинства:
1.Простота.Действительно,осуществить расстройку можно с помощью обычного многооборотного потенциометра.
2.Достижение сколь угодно малого шага перестройки.
Недостатки:
1. Значение диапазона расстройки находится в прямой зависимости от частоты на которой работает ГУН. Чем ниже частота ГУН ,тем уже диапазон расстройки и наоборот.Можно устранить эту разницу с помощью корректировки напряжения подаваемого на варикап установленный в цепи кварцевого резонатора в ОГ.Однако,для разных частот и значения будут разными.Это требует создания некой поправочной таблицы.Если перекрытие по частоте и число поддиапазонов велико,таблица тоже будет большой,что очень неудобно.
Можно, конечно, использовать программную коррекцию с помощью ПЗУ,микроконтроллера и ЦАП, но такое решение приводит к усложнению и удорожанию всей конструкции в целом,к тому же лишая ее гибкости в применении.
2.Сильный увод частоты кврцевого резонатора может привести к срыву генерации.Это ограничение можно обойти с помощью использования в качестве ОГ ГУН охваченного второй петлей ФАПЧ с малым шагом перестройки.Но здесь опять вступает в силу ограничение (см. п.1).
В общем и целом, лучше вообще отказаться от этого способа и найти ему альтернативу,т.к. любое "издевательство" над опорным генератором сказывается на чистоте спектра выходного сигнала.

В этой части я не рассматривал схемы ГУН,валкодеров и коммутации,а также применений и модификаций данной конструкции.Обо всем этом во второй части,которая скоро будет готова.

У меня имеются готовые платы основного блока собранного по схеме на рис.2, с установленной мс КН1015ПЛ5(А,Б,В),блок управления и ГУН не прилагаются. Если есть желание приобрести обращайтесь.
Автор
Федор