Фильтр для кварцевого генератора - NEVINKA-INFO.RU

Фильтр для кварцевого генератора

Ф.Шарапов Радио-Дизайн N 11 В радиолюбительской литературе [1, 2, 3] приводилось несколько методик по настройке кварцевых фильтров. Все они примерно одинаковы и сводятся к предварительному макетированию с целью измерения параметров кварцев и довольно большому объему громоздких математических

Фильтр для кварцевого генератора

Настройка кварцевых фильтров

Ф.Шарапов
Радио-Дизайн N 11

В радиолюбительской литературе [1, 2, 3] приводилось несколько методик по настройке кварцевых фильтров. Все они примерно одинаковы и сводятся к предварительному макетированию с целью измерения параметров кварцев и довольно большому объему громоздких математических вычислений. Тем не менее, после монтажа, получаемая амплитуно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра, как правило, весьма далека от желаемой. Очевидно, сказывается разброс параметров элементов фильтра и трудно учитываемых монтажных емкостей. В результате приходится затрачивать много времени на коррекцию АЧХ подбором емкостей фильтра и согласующих резисторов.

Исходя из вышеизложенного, возникла идея отказаться от расчетов вообще. Поскольку, их результаты несовершенны и вместо макетирования ограничиться проверкой работоспособности, собственно, кварцевых резонаторов (для этого достаточно простого генератора на одном транзисторе и осциллографа), а настройку основных параметров фильтра производить, используя конденсаторы переменной емкости (КПБ).

Рис.1 Кварцевые фильтры с «параллельными» емкостями

Стрелками ААи ББ показан второй вариант включения КПЕ. Резисторы R1, R4 (0 . 300 Ом) устанавливаются при наличии больших выбросов на АЧХ. Конденсатор С4* подбирается в пределах от 0 до 30 пФ.

С целью минимизации числа конденсаторов, были выбраны схемы фильтров, содержащие только параллельные емкости, рис.1. Поскольку фильтры симметричны (относительно их входа-выхода), оказалось возможным использовать сдвоенные КПЕ от радиовещательных приемников емкостью 12 — 495 пФ. Кроме этого, понадобится еще один, заранее проградуированный в пФ, односекционный переменный конденсатор.

Настройка фильтра сводится к следующему.

Для настройки может понадобиться прибор для измерения амплитудно-частотных харакеристик Х1-38 или ему подобный. Я же использую осциллограф и самодельную приставку (см. ниже).

Первоначально все конденсаторы устанавливаются в положение, соответствующее емкости 30 . 50 пФ. Контролируя АЧХ фильтра на экране прибора, вращением конденсаторов в небольших пределах, добиваемся требуемой полосы пропускания. Затем, подстройкой переменных резисторов (использовать только безиндукционные, например, СП4-1) на входе и выходе фильтра, стараемся выровнять вершину АЧХ. Приведенные выше операции, повторяются несколько раз до получения желаемой АЧХ.

Далее, вместо каждой отдельной секции КПЕ, припаиваем заранее проградуированный конденсатор, с помощью которого стараемся оптимизировать АЧХ фильтра. По его шкале определяем емкость постоянного конденсатора и производим замену. Таким образом, все секции КПЕ, поочередно, заменяются конденсаторами постоянной емкости. Точно также поступаем с переменными резисторами, которые впоследствии заменим на постоянные.

Окончательная «доводка» фильтра производится непосредственно по месту, например, в трансивере. После установки фильтра в трансивер возможно потребуется коррекция номиналов этих резисторов, при этом, для оптимального согласования фильтра с выходом смесителя и входом УПЧ, ГКЧ и осциллограф необходимо подключать согласно схемы, приведенной на рис.2.

Рис.2 Подключение кварцевого фильтра для окончательной настройки

По описанной методике было изготовлено несколько фильтров. Хочется отметить следующее. Настройка трех или четырех кристальных фильтров при некотором навыке занимает не более часа, однако с 8-ми кристальными фильтрами затраты времени гораздо выше. При этом, попытки предварительной настройки сначала двух отдельных 4-х кристальных фильтров, а затем их состыковка — оказались бесплодны. Малейший разброс их параметров (а это всегда имеет место) приводит к искажению результирующей АЧХ. Интересно также отметить, что теоретически равные емкости (например, С1=СЗ, на рис. 1а; С1=С7; СЗ=С5, на рис.1б) после настройки градуированным КПЕ по оптимальной АЧХ имели заметный разброс.

На мой взгляд, достоинством этой методики, является ее наглядность. На экране прибора хорошо видно каким образом меняется АЧХ фильтра в зависимости от изменения емкости каждого конденсатора. Например, выяснилось, что в отдельных случаях вполне достаточно поменять емкость одного конденсатора (с помощью реле) с тем, чтобы изменить полосу пропускания фильтра без особого ухудшения ее прямоугольности.

Как уже отмечалось выше, для настройки фильтра используется осциллограф С1-77 и переделанная приставка для измерения АЧХ [4].

Почему именно С1-77? Дело в том, что на его боковой стенке имеется разъем, на котором присутствует пилообразное напряжение генератора развертки. Это позволяет упростить саму приставку и исключить из ее схемы генератор пилообразного напряжения (ГПН). Поэтому, отпадает необходимость в дополнительной синхронизации и становится возможным наблюдение стабильной АЧХ при различных длительностях развертки. Очевидно, что можно приспособить и осциллографы других типов, может быть после небольшой доработки.

Поскольку, упрощенная приставка используется только при работе с кварцевыми фильтрами вблизи частоты 8 МГц, то все остальные поддиапазоны из нее были исключены.

Также, в используемой приставке, потребуется немного увеличить выходное напряжение. Для этого достаточно переделать выходной каскад в резонансный. Он должен настраиваться в резонанс каждый раз после того, как к его выходу будет подключаться новый фильтр.

Схема доработанной приставки приводится на рис.3. Из-за вносимых «паразитных» емкостей все соединения между исследуемым фильтром и приставкой следует осуществлять короткими проводниками, длиной не более 10 см.

Рис.3 Приставка к осциллографу для настройки кварцевых фильтров

  1. В.Жалнераускас. Серия статей «Кварцевые фильтры» Журнал «Радио» № 1, 2, 6 1982 г., № 5, 7 1983 г.
  2. С.Бунин, Л.Яйленко «Справочник коротковолновика» изд. «Техника» 1984 г.
  3. В.Дроздов «Коротковолновые трансиверы» изд. «Радио и связь» 1988 г.
  4. Журнал «Радио» №5 1993 г. «Генератор качающейся частоты»

Фильтр для кварцевого генератора

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.

Читайте также  Трехуровневый регулятор напряжения для генератора 21214

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

Тема: Кварцевый фильтр — это просто!

Опции темы
  • Версия для печати
  • Версия для печати всех страниц
  • Подписаться на эту тему…
  • 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: 4020)

    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.

    Читайте также  Устройство генератора для ваз 2115

    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.

    Записки программиста

    Учимся делать кварцевые полосовые фильтры

    21 декабря 2020

    Ключевым компонентом любого супергетеродинного приемника является фильтр промежуточной частоты. Это фильтр с полосой пропускания всего лишь 2000-3000 Гц (для SSB) или даже 50-500 Гц (для телеграфа), малыми вносимыми потерями и очень крутой АЧХ. Сделать такой фильтр, используя конденсаторы и катушки индуктивности, не представляется возможным, в основном из-за низкой добротности последних. Поэтому фильтры делают из кварцевых резонаторов.

    При выборе промежуточной частоты (ПЧ) нужно учитывать ряд ограничений. Низкая частота плоха тем, что кварцевый фильтр будет иметь довольно высокий импеданс, который неудобно согласовывать с 50 Ом. Слишком высокой ПЧ делать тоже не стоит, поскольку с ростом частоты увеличивается влияние паразитных эффектов в цепи. По этим соображениям на КВ рекомендуется выбирать ПЧ от 6 до 12 МГц. Для нормального подавления зеркального канала ПЧ не должна находится близко к принимаемой частоте. Таким образом, 7 МГц и 10 МГц в общем случае не годятся. Популярным выбором являются 12 МГц, на которых мы и остановимся.

    После того, как мы определились с ПЧ, возникает вопрос непосредственно о расчете фильтра. Практический и завоевавший популярность подход был описан Wes Hayward, W7ZOI в статье 1987-го года «Designing and Building Simple Crystal Filters». Статья вошла в книгу QRP Classics, которую можно бесплатно скачать на archive.org. Метод, предложенный W7ZOI, нам предстоит немного адаптировать под современные реалии. В оригинальной статье использованы кварцевые резонаторы на 3.579 МГц, поскольку их можно было легко и дешево купить. В наши дни без проблем доступны кварцы на любую частоту, и в силу озвученных причин в качестве ПЧ выгоднее выбрать 12 МГц.

    Wes предлагает зафиксировать топологию фильтра на следующей:

    Кварцы подбираются как можно более похожими. В идеале, каждый кварц необходимо измерить, как ранее было описано в заметке Измеряем параметры кварцевых резонаторов. Как альтернативный вариант, допускается просто вставлять кварцы в один и тот же генератор (например, по схеме G3UUR) и группировать их по частоте. Кварцы в фильтре должны различаться не более, чем на 50 Гц. Кварцы бывают разные, но в среднем 20 штук должно хватить по крайней мере на пару фильтров.

    Остается открытым вопрос о выборе конденсаторов. W7ZOI предлагает использовать С1-С4 одинаковой емкости. При этом можно наблюдать явную закономерность. Чем меньше емкость, тем больше импеданс фильтра, и тем шире его полоса. Конкретные значения будут зависеть от кварцев. Но это не беда. При помощи LTspice мы можем построить модель фильтра и определить зависимость его свойств от C1-C4.

    Мной была использована модель с одинаковыми Y1-Y3. Для них Lm, Cm, Rm и C0 равны измеренным у одного из трех кварцев, что планируется применить в фильтре. Если использовать разные Y1-Y3, то модель выходит не особо полезной. В этом случае LTspice предсказывает кривую АЧХ, чего не будет в реальности.

    Было решено сделать два фильтра — для SSB с конденсаторами 56 пФ и для CW с конденсаторами 470 пФ:

    В SSB-фильтре для согласования импеданса применены автотрансформаторы на кольцах FT37-43. Отношение числа витков должно быть sqrt(320/50) или примерно 10:4. Соответственно, в каждом трансформаторе было намотано 4 витка, сделан отвод, и затем еще 6 витков. Как альтернативный вариант, фильтр может быть согласован с помощью LC-схемы. Телеграфный фильтр и так хорошо согласован, поэтому в нем СУ не требуется.

    В некоторых источниках рекомендуется припаивать корпуса кварцев к земле. Утверждается, что это снижает паразитную емкость и оттого улучшает свойства фильтра. Однако другие авторы (см книгу QRP Power) напротив, категорически не рекомендуют этого делать. По их наблюдениям, кварцевые резонаторы могут деградировать при чрезмерном нагреве. В своих фильтрах корпуса кварцев я не паял. Принято такое решение по соображениям, что так меньше работы, и кварцы легче отпаять в случае необходимости.

    Возвратные потери соответствуют КСВ 1.2-1.4. Это свидетельствует о том, что фильтр согласован нормально. Полоса по уровню -3 дБ составила 2500 Гц, как было предсказано моделью. Вносимые потери оказались 2.3 дБ, что выше расчетных. Разница объясняется потерями на двух трансформаторах, тем фактом, что согласование на самом деле не идеальное (есть отражение сигнала), а также применением чуть-чуть разных кварцев, а не идентичных, как в модели.

    Важно! Этот фильтр очень узкополосный. Анализатор спектра ничего не покажет, если пытаться измерить его с широким Span и большим RBW. Поначалу я решил, что фильтр не работает.

    АЧХ и возвратные потери телеграфного фильтра:

    В данном случае имеем практически полное соответствие модели. Вносимые потери 4.9 дБ, полоса 320 Гц, идеальное согласование.

    АЧХ двух фильтров для сравнения:

    Интересно, а что будет, если не подбирать кварцы? Для ответа на этот вопрос я взял SSB фильтр и заменил в нем кварцы на случайные. Вносимые потери стали 2.7 дБ вместо 2.3 дБ, и АЧХ в полосе пропускания стала немного кривовата. То есть, случайный фильтр уступает подобранному, но не то, чтобы очень сильно. Однако имеющиеся у меня кварцы на 12 МГц очень похожи. В худшем случае частота двух кварцев отличается лишь на 300 Гц. Случайный фильтр может заработать, а может и нет, смотря что у вас за кварцы.

    По аналогии можно сделать фильтр и с большим числом кварцевых резонаторов. Таким образом добиваются еще более крутой АЧХ. Типично применяют до 8 кварцев, хотя отдельные энтузиасты используют до 15 штук.

    Напоследок хотел бы порекомендовать статью 9 MHz Filters Built With Inexpensive Crystals [PDF]. Она написана все тем же Wes Hayward, W7ZOI в октябре 2020 года и описывает CW- и SSB-фильтры, содержащие до 6-и кварцевых резонаторов на 9 МГц. Топология фильтров отличается от использованной выше. Описание еще двух методов изготовления кварцевых фильтров можно найти в 3-ей главе книги Experimental Methods in RF Design.

    А доводилось ли вам делать кварцевые фильтры и если да, то как вы их рассчитывали?

    Дополнение: В продолжение темы о кварцевых полосовых фильтрах см часть 2, часть 3 и часть 4.

    Фильтр для кварцевого генератора

    Ко мне неоднократно обращались радиолюбители с просьбами поделиться опытом по настройке кварцевых фильтров, но я не спешил с этим, ибо в периодической печати уже опубликовано немало толковых статей на эту тему. Прочитав несколько из них заново, приходишь к выводу, что следует отдать должное труду их авторов и поблагодарить, ибо в каждой статье есть то, после прочтения чего можно сказать: век живи — век учись. Однако, наряду с благодарностью, каждый раз остаются нераскрытыми несколько вопросов.

    Читайте также  Электрозапуск генератора что это

    Часто в статьях встречаешь фразу: «Кварцевый фильтр легче настроить при помощи характериографов (например, X1-38, X-1-48, СК-4-59 и др.). Конечно, если они есть, то настройка фильтра проста. Но это если у вас есть соответствующий прибор, да еще и инструкция к нему. В противном случае слово «просто» быстренько превратится в противоположное ему «трудно». Поэтому в данной статье делается упор на настройку кварцевого фильтра с использованием простейших приборов.

    В некоторых статьях опускают информацию о типе настраиваемого фильтра (лестничный, мостовой, монолитный), описывая общие правила настройки. Однако я пришел к выводу, что каждый из них имеет, наряду с общими, еще и свои собственные особенности.

    Начнем с настройки фильтра лестничного типа (рис.1).


    Puc.1

    Опыт показывает, что:

    — фильтр получается с лучшими параметрами, если все кварцы имеют как можно более близкие частоты последовательного резонанса (±10 Гц). Однако не стоит расстраиваться, если это условие не выполнимо, ибо неплохой фильтр получается и при разносе частот до 1 кГц [1];

    — подбирать кварцы лучше всего включая их в опорном генераторе того устройства, в котором предполагается эксплуатировать этот фильтр, а самый низкочастотный из них использовать непосредственно в опорном генераторе. При этом подстроечные элементы генератора не следует трогать;

    — настраивать фильтр следует непосредственно в составе «родного» аппарата;

    — если кварцы имеют неодинаковые частоты, их следует располагать в следующей последовательности: наиболее высокочастотный установить первым на входе, а все последующие — поочередно слева направо, по рангу, с понижением частоты;

    — емкости следует применять малогабаритные, с минимальным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ) с точностью не хуже ±1,5%. Но не отчаивайтесь, если таковые не найдутся, ибо в процессе настройки их все равно придется подбирать. В большинстве случаев в процессе настройки бывает заменено до 90% емкостей на другие (хотя и близкие) номиналы;

    — кварцы лучше использовать фильтровые (взятые, например, из разобранных заводских фильтров).

    Так, из четырех фильтров на частоту 10,7 МГц (типа ФП2П-325-10700М-15) можно собрать четыре лестничных восьмикристальных фильтра (в этих фильтрах имеется по четыре пары кварцев с одинаковыми частотами) с разными, но близкими к 10,7 МГц частотами. Обычно так и поступают несколько радиолюбителей (как правило, 4 человека), имеющих по одному фильтру. Самый опытный из них подбирает одинаковые по частоте четыре комплекта кварцев, затем кварцы с минимальным. разбросом оставляет себе, а остальные отдает обратно друзьям (или наоборот?!). С несколько меньшим успехом можно использовать и генераторные кварцы.

    В домашних условиях кварцевый фильтр можно настроить тремя способами.

    В первом случае следует использовать (кроме настраиваемого аппарата) в качестве вспомогательного прибора другой трансивер с цифровой шкалой, во втором случае — ГСС (генератор стандартных сигналов) и частотомер (с предельной частотой, превышающей хотя бы низшую частоту вашего настраиваемого устройства, например 1,9 МГц). Частотомером измеряют либо частоту ГСС, либо частоту ГПД исследуемого аппарата.

    В третьем случае используется кварцевый гетеродин на одну из рабочих частот (либо ГСС, либо другой трансивер без цифровой шкалы), и обязательно наличие цифровой шкалы в настраиваемом аппарате.

    Во всех трех случаях на вход настраиваемого аппарата подают ВЧ-сигнал рабочего диапазона. В первых двух случаях медленно изменяют подаваемую частоту в полосе прозрачности кварцевого фильтра, снимая при этом показания S-метра в относительных единицах, и через каждые 200 Гц записывают их в таблицу. Затем, согласно таблице, строят графики (АЧХ). По вертикали откладывают показания S-метра, а по горизонтали — частоту. Соединив проставленные на графике точки интерполяционной (усредняющей) линией, получают АЧХ — амплитудно-частотную характеристику новоиспеченного фильтра.

    В третьем случае все проделывают аналогично, только перестраивают по частоте сам настраиваемый аппарат, снимая показания непосредственно с его цифровой шкалы и S-метра одновременно.

    При этом «новоиспеченный» фильтр, как правило, имеет:

    — иную полосу, чем требуется;

    — неравномерность в верхней части АЧХ;

    — пологий (а иногда с выбросами) нижний скат АЧХ.

    В дальнейшем настройка фильтра ведется по трем вышеуказанным направлениям в порядке очередности.

    На первом этапе настройки (грубая настройка) следует получить полосу пропускания фильтра до 2,4 кГц путем поочередной замены емкостей, начиная от входа фильтра, и снятия при этом АЧХ. При этом следует иметь в виду следующее:

    — если параллельно кварцам (особенно крайним) установить дополнительные емкости и увеличивать их номинал (до определенного предела), то ширина полосы пропускания фильтра будет уменьшаться. Аналогичный эффект будет наблюдаться и при увеличении емкостей конденсаторов, идущих на корпус. При уменьшении величин этих емкостей будет наблюдаться обратный эффект. Данное свойство используют для сужения полосы пропускания кварцевого фильтра в телеграфном режиме. Таким образом полосу пропускания можно уменьшить до 0,8 кГц. При дальнейшем сужении полосы резко увеличивается затухание фильтра в полосе прозрачности (для получения малого затухания в CW-фильтре следует использовать резонаторы с добротностью, по крайней мере на порядок превышающей добротность фильтра — Прим.ред.);

    — величина «горбов» и провалов в верхней части АЧХ (линейность характеристики) будет зависеть не только от величины подбираемых емкостей, но и от величины сопротивления нагрузочных резисторов, установленных на входе и выходе фильтра. При уменьшении их сопроитвления линейность характеристики улучшается, но увеличивается затухание в полосе пропускания фильтра;

    — при невозможности получения достаточной крутизны нижнего ската, следует параллельно нагрузочным резисторам установить кварцы, аналогичные используемым в фильтре, при этом из всех имеющихся кварцев следует выбрать наиболее низкочастотный или понизить его частоту путем последовательного включения индуктивности. Подбором количества витков этой индуктивности можно менять крутизну нижнего ската;

    — настройку фильтра нужно повторить несколько раз. Если на последнем этапе настройки не удается получить приемлемей АЧХ, необходимо попробовать подогнать частоту последовательного резонанса отдельных кварцев. Для этого последовательно кварцу устанавливают конденсатор, и подборкой этого конденсатора добиваются генерации на частоте остальных кварцев. Если это не поможет (а это может быть при малом разносе между частотами параллельного и последовательного резонансов кварца), следует заменить кварцы.Кварцы в фильтре следует располагать в цепочку, тщательно экранируя вход от выхода. На рис.2 показаны АЧХ КФ приемника «TURBO-TEST», снятые при различных значениях емкостей конденсаторов. —


    Puc.2 — Для большей наглядности значения частоты сняты без соблюдения принимаемой боковой полосы и действительного значения ПЧ. На рис.3 показаны АЧХ окончательного варианта настройки фильтра. —


    Puc.3

    Теперь несколько практических советов по настройке мостового кварцевого фильтра. Такой фильтр показан на рис.4. Катушки L1 и L2 содержат 2х10 витков провода диаметром 0,31 мм, в качестве сердечников использованы ферритовые кольца от фильтра ФП2А-325-10,700 М-15. Ширина полосы пропускания фильтра — 2,6 кГц.


    Puc.4

    Если у вас изготовлен фильтр на низкие частоты (2. 6 МГц), он обычно получается более узкополосным, чем требуется, а если фильтр на высокие частоты (8. 10 МГц) — слишком широкополосным. В первом случае следует расширить полосу пропускания путем подключения к верхним, либо к нижним (рис.4) кварцам катушек индуктивности, которые следует подобрать экспериментально. Во втором случае, чтобы уменьшить полосу пропускания, необходимо параллельно резонаторам подсоединить подстроечные конденсаторы (аналогично катушкам). Кварцы в фильтре нужно подобрать с точностью до 50 Гц (частота последовательного резонанса), причем частоты всех верхних резонаторов должны быть одинаковыми и отличаться от нижних (также одинаковых) на 2. 3 кГц.

    Если в наличии имеются только кварцы на одинаковые частоты, можно изменить частоту кварцев путем стирания посеребренного слоя с кристалла (повысить частоту) или путем заштриховки карандашом (понизить). Но практика показывает, что стабильность параметров такого фильтра с течением времени оставляет желать лучшего.

    Более устойчивые результаты дает подгонка частоты путем последовательного включения с кварцем подстроечного конденсатора. После настройки конденсатор желательно заменить на постоянную емкость такой же величины.

    При большой ширине полосы пропускания фильтра, в середине его АЧХ может появиться провал (затухание). Следует сказать, что его глубина в значительной мере зависит от сопротивления резисторов R1 и R2. Их величина может быть от сотен ом (при полосе 3 кГц) на частотах 8. 10 МГц до нескольких килоом на более низких частотах и при меньшей полосе пропускания фильтра. При изготовлении мостового фильтра следует большое внимание уделить симметричности его плеч, а также обмоток входящих в него трансформаторов, ну и, конечно, тщательной экранировке входа от выхода. Более подробно о мостовых фильтрах можно прочитать в[2].

    1. Гончаренко И. Лестничные фильтры на неодинаковых резонаторах. — Радио, 1992, N1, С. 18.
    2. Бунин С.Г, ЯйленкоЛ.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. — К.: Техника, 1984, С.21. 25.

  • Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: