Материал публикуется с любезного разрешения автора.
Многофункциональный генератор качающейся частоты 100 кГц...2 ГГц
Платы П1-П7. Описание принципиальных схем и настройка.
Александр Кравченко, Украина
E-mail: alderkra{собака}ukr.net
Январь 2005 г.
Принципиальная схема платы управления ГКЧ (П1) изображена на рис.9.
Генератор пилообразного напряжения (ГПН) выполнен на транзисторах VT2 - КТ209К, VT3 - КТ117А и VT4 - КТ315Г. После включения питающего напряжения, конденсатор C1 заряжается током от стабилизатора тока, выполненного на транзисторе VT2. При достижении напряжения на конденсаторе C1 величины, требуемой для открывания однопереходного транзистора VT3, конденсатор C1 быстро разряжается до нуля вольт - через транзистора VT3 и резистор R4. После чего VT3 - закрывается, а С1 - опять заряжается от стабилизатора тока. Сформированное пилообразное напряжение через эмиттерный повторитель на транзисторе VT4, и разделительный конденсатор C3 - поступает на выход ГПН. Чтоб пилообразное напряжение не ограничивалось снизу, повторитель на VT4 - запитан двухполярным напряжением питания. Величина тока, в стабилизаторе тока на VT2, задается изменением сопротивления резистора, включенного между контактами 1 и 2 платы. От величины тока зависит скорость зарядки конденсатора C1, а следовательно и частота ГПН. Импульсы обратного хода, размахом около 8 B, снимаются с резистора R4.
Схема задержки импульсов обратного хода на 5 мс выполнена на микросхеме DD2 - К176ЛЕ5, и транзисторе VT5 - КТ315Б. На элементах DD2.1, DD2.2 собран ждущий мультивибратор, который запускается импульсами обратного хода пилообразного напряжения. Цепочка на элементах C19, R27 формирует из заднего фронта импульса мультивибратора - короткий импульс положительной полярности, который усиливается по току, и ограничивается по уровню около 5 В в эмиттерном повторителе на транзисторе VT5. Эти импульсы, следующие с частотой ГПН, используются для синхронизации осциллографа. Для устойчивой работы логического элемента DD2.2, на его входе задан уровень логического нуля равный 3 В - с помощью делителя напряжения на резисторах R24, R25.
Внутренний генератор синусоидального напряжения выполнен на части микросхемы DD1 - К176ЛЕ5, и транзисторе VT1 - КТ315Б. В задающем генераторе, выполненном на элементах DD1.1, и DD1.2, формируется сигнал частотой 1 кГц - прямоугольной формы. Фильтр нижних частот на элементах R9-R11, C6-C8 - подавляет гармоники основного сигнала. С выхода эмиттерного повторителя, сформированный синусоидальный сигнал амплитудой около 100 мВ поступает на конт.23 платы.
Усилитель модулирующего напряжения собран на операционном усилителе (ОУ) DD5 - К544УД1Б. В режиме ГКЧ "качание выкл.", ОУ работает как усилитель модулирующего напряжения. В режиме ГКЧ - "качание вкл.", необходимо гарантировано отключить модуляцию, даже если на входе усилителя модулирующего напряжения будет присутствовать модулирующий сигнал. Эта функция реализуется подачей положительного напряжения на инвертирующий вход ОУ - DD5, с контакта 3 платы, через резистор R16. При этом режим работы ОУ по постоянному напряжению нарушится, и переменное напряжение на его выходе будет отсутствовать.
Формирователь метки ручного качания выполнен на ОУ DD6 - К544УД1Б. Здесь ОУ выполняет функцию компаратора напряжений. На инвертирующий вход ОУ подается пилообразное напряжение (без постоянной составляющей), а на не инвертирующий - напряжение с контакта 5 платы (напряжение ручного качания, при включенном режиме ГКЧ - "качание ручн."). Каждый раз в момент совпадения этих двух напряжений, выход ОУ переключится с минус 12 В на плюс 12 В. Цепочка, состоящая из элементов C16, R21, VD4, VD5, R22, в момент переключения ОУ сформирует короткий импульс, который ограничится до уровня 6,8 В стабилитроном VD6.
Формирователь метки середины качания выполнен на ОУ DD8 - К544УД1Б. Он построен по схеме аналогичной формирователю метки ручного качания, но в нем пилообразное напряжение сравнивается с нулем вольт, так как вывод 2 ОУ подключен через резистор R52 к корпусу. В момент перехода пилообразного напряжения через нуль вольт, на выходе формирователя середины качания появится короткий положительный импульс.
Коммутатор выходов УПТ собран на микросхемах DD3 - К176ТМ2, и DD4 - К561КТ3. В зависимости от режима коммутации "построчная" или "быстрая", на контакт 17 платы поступают или импульсы обратного хода, или меандр с частотой 70 кГц - сформированный в генераторе на элементах DD1.3, DD1.4. Триггер DD3, включенный по схеме делителя частоты, делит входную частоту на два. При этом сигналы на выходах 1 и 2 DD2 будут противофазными. Эти два противофазных меандра управляют ключами DD4.1 и DD4.2, с помощью которых поочередно подключаются к резистору R50 выходные сигналы двух УПТ. Коммутированный сигнал двух УПТ поступает с контакта 14 платы на вход Y осциллографа. Для возможности коммутации сигналов как положительной, так и отрицательной полярности, микросхемы DD3 и DD4 запитаны двухполярным питанием от стабилизаторов на стабилитронах VD7 и VD8. С помощью резисторов R44 и R45 задается уровень логического нуля на входе триггера DD3 равный минус 2,8 В (измеренный при отсутствии входного сигнала). Чтоб входные напряжения ключей DD4.1 и DD4.2 не превышали напряжения питания, как положительной, так и отрицательной полярности, на их входах установлены двухполярные ограничители напряжения на стабилитронах VD9-VD12. Эти ограничители не искажают сигналов УПТ, если луч осциллографа находится в видимой области по вертикали - при шкале 0,5 В/дел.
Формирователь напряжения управляющего частотой, собран на ОУ DD7 - К544УД1Б и транзисторах VT6 - КТ315В, VT7 - КТ602БМ. Он представляет собой УПТ, с помощью которого смешиваются два напряжения: постоянное напряжение отрицательной полярности, снимаемое с контакта 7 П1, и пилообразное напряжение, снимаемое с контакта 6 П1. Так как усилитель на VT6, VT7 - инвертирующий, то сигнал отрицательной обратной связи, которой охвачен весь УПТ, заведен через резистор R34 на не инвертирующий вход ОУ DD7. Выходное напряжение УПТ - это результат смешивания двух входных напряжений, одно из которых (снимаемое с контакта 7 П1) - инвертируется. Делитель напряжения на резисторах R40, R41 не позволяет напряжению на катоде VD13 опускаться ниже 1 В. В результате чего выходное напряжение формирователя (на к.10 П1) изменяется в диапазоне от 1 В до 30 В при перестройке частоты в пределах выбранного диапазона частот, с наложенным на него пилообразным напряжением, размах которого изменяется при изменении полосы качания. Это суммарное напряжение используется для управления частотой ВЧ генераторов.
Опорное напряжение +1 В, с резистора R57, подается на варикапы генератора 140 МГц, генераторного блока 0,1...60 МГц (рис.1). Изменением этого напряжения (подбором R56) можно в небольших пределах сдвигать частотный диапазон генераторного блока 0,1...60 МГц вверх или вниз по частоте, не вскрывая самого блока.
Правильно собранная схема платы управления (П1), должна заработать сразу. Для настройки необходимо выполнить следующие операции:
1. Подобрать сопротивление резистора R1 так, чтоб при минимальном токе через стабилитроны VD1, VD2 отсутствовали пульсации напряжения +18 В с частотой генератора пилообразного напряжения.
2. Проверить токи через стабилитроны VD7, VD8 и VD14, VD15. Они должны быть не менее 5 мА, и не более 10 мА.
3. При необходимости выставить частоту внутреннего генератора 1 кГц - подбором сопротивления резистора R12, а также частоту генератора 70 кГц - подбором R23.
4. Произвести балансировку всех операционных усилителей. Балансировку выполняют, добиваясь нулевого напряжения на выходах ОУ, при этом измерительный прибор (вольтметр, или осциллограф) необходимо включать на самый низковольтный предел измерения. Балансировку ОУ, не охваченных ООС, выполняют - добиваясь максимально приближенного к нулю напряжения на их выходах. Перед балансировкой ОУ DD6 и DD8 - выпаяйте конденсатор C3, и перейдите в режим "качание автоматическое", а регулятор полосы качания установите в нижнее по схеме положение. Перед балансировкой ОУ DD5, установите регулятор уровня модуляции в нижнее по схеме положение и переведите ГКЧ в режим - "качание выкл.". Перед балансировкой ОУ DD7, отключите провод от конт.8 платы, перейдите в режим ГКЧ - "качание выкл.", и отключите ООС, выпаявши R34. Особенно тщательно нужно выполнять балансировку DD6 и DD7, так как от этого зависит точность установки частоты по метке середины качания, и точность контроля частоты в режиме ручного качания.
5. Проверить размах и форму пилообразного напряжения. В моей конструкции размах получился 8 В. Он зависит от напряжения питания, и от параметров однопереходного транзистора. Если получится другая величина то в дальнейшем, диапазон изменения напряжения ручного качания нужно выставить таким же, как и размах пилообразного напряжения.
Усилители П2-П6, изображенные на рис.10-12, рис.14 изготовлены по однотипным схемам. Их настройка заключается в балансировке операционных усилителей и регулировке коэффициентов усиления. Перед балансировкой каждого усилителя необходимо убедится, что на его входе отсутствует постоянное напряжение, а для надежности - замкнуть вход на корпус, предварительно отключивши входной сигнал. Балансировку DD1 - УПТ1.2 (рис.11), производят в режиме усиления х10. Перед балансировкой УПТ1.2 и УПТ2.2, необходимо отключить регуляторы центровки от плат П3 и П5, а напряжение контролировать на выходах плат. Балансировку УПТ1.1 и УПТ2.1 производят после регулировки П3 и П5 - в уже собранной схеме по рис.2, контролируя постоянное напряжение на выходах плат П3 и П5, и с отключенными регуляторами центровки. Для ОУ DD2 УПТ1.2 и DD2 УПТ2.2, подстроечные резисторы балансировки не установлены за ненадобностью, так как эти ОУ работают с большими уровнями напряжений, и с глубокой ООС.
Регулировку УПТ1.2 производят для двух режимов усиления: Включите режим усиления х10 и резистором R5 установите амплитуду переменного напряжения на выходе платы П3 - 7,5 В (при входном сигнале 2 мВ частотой 1 кГц), а регулятором центровки установите нулевое смещение на выходе П3. Перейдите в режим усиления х1, и резистором R9 добейтесь амплитуды переменного напряжения на выходе П3 - 0,75 В. Теперь перейдите в режим х10, отключите входной сигнал, а регулятором центровки установите смещение на выходе П3 - плюс 3 В. Перейдите в режим х1, и резистором R7 добейтесь смещения на выходе П3 - плюс 3 В.
Формирователь прямоугольной внешней метки (рис.13) состоит из усилителя внешней метки, собранного на транзисторах VT1, VT2 - КП303Е и КТ315Б, детектора VD1 - КД522А, УПТ VT3-VT5 - КТ361Б и ограничителя напряжения VD2 - КС168А. Делитель напряжения на резисторах R11, R12 уменьшает уровень сформированного импульса с минус 6,8 В до минус 15 мВ. Такая величина и полярность импульса на выходе формирователя необходима для получения на экране осциллографа размаха метки - 1,2 деления, со смещением луча вверх. Настройку формирователя выполняют после сборки ГКЧ, подстройкой усиления резистором R2, по виду метки на экране осциллографа.
Платы П2 и П4 изготовлены из двустороннего фольгированного текстолита с разводкой цепей со стороны деталей, и с использованием слоя, противоположного деталям в качестве корпусного провода. Платы, вместе с входными элементами (рис.2), помещаются в металлические экраны, соединенные с корпусом схемы.
Платы П1, П3, П5, П6, П7 изготовлены из двустороннего фольгированного текстолита с использованием слоя, где расположены детали, в качестве корпусного провода, и разводкой цепей с противоположной деталям стороны. На стороне деталей, в радиусе 1 мм вокруг отверстий для установки деталей, удаляется фольга.
В конструкциях плат использованы резисторы МЛТ, конденсаторы до 0,047 мкФ - типа КМ, свыше 0,047 мкФ (не считая электролитических) - типа К73. В качестве блокировочных конденсаторов, установленных по питающим цепям +12 В и -12 В, можно использовать любые - емкостью от 1 мкФ до 10 мкФ. Их нужно размещать вблизи соответствующих узлов схемы. Особенно тщательно отнеситесь к выбору С3 для П1, так как от этого зависит точность установки частоты по метке середины качания. В С3 должна отсутствовать утечка. Токи потребления по питающим цепям мною измерялись только в составе собранного ГКЧ. Они приведены в описании его настройки, но следует учитывать, что в своей конструкции для питания DD3 и DD4 платы П1, я использовал источники питания ГКЧ: +5 В и -5 В. В данной схеме, для уменьшения проводов, привожу вариант питания с использованием стабилизаторов на КС156А, для которых используются источники питания +12 В и -12 В.