Текст
Борис Юрьевич Семенов
Современный тюнер своими руками: УКВ стерео + микроконтроллер
Серия «Просто и доступно»
В последние годы широкое распространение получило высококачественное стереофоническое вещание в УКВ диапазоне. Тем не менее, сегодня все еще крайне сложно найти схему приемника, пригодную для повторения в домашней радиолюбительской лаборатории. Цель этой книги заключается в желании автора помочь радиолюбителю освоить стереофонический УКВ радиоприем, сконструировать приемник для дома, работы, садового участка. Но что самое главное — создать современный УКВ радиоприемник с цифровой настройкой и управлением на базе несложного отечественного однокристального программируемого микроконтроллера. Книга будет полезна радиолюбителям, специалистам-ремонтникам, студентам вузов, обучающимся по специальности «конструирование радиоэлектронной аппаратуры», и всем интересующимся вопросами радиоприемной техники.
Описанную в книге программу для программатора вы можете получить по электронной почте, прислав нам письмо на E-mail: Solon-Avtor@coba.ru В теме сообщения напишите «Программатор Павла Семенова».
Издательство «СОЛОН-Р»
129337, г. Москва, а/я 5 Телефоны:
(095) 254-44-10, (095) 252-36-96 E-mail: Solon-Avtor@coba.ru
Ответственный за выпуск С. Иванов Технический редактор И. Шелестов Макет и верстка С. Тарасов Обложка Е. Жбанов
ISBN 5-93455-126-4 © Макет и обложка СОЛОН-Р, 2001
© Б. Ю. Семенов, 2001
К читателю
В последние годы на отечественном рынке появилось множество всевозможной бытовой радиоэлектронной аппаратуры на любые вкусы и финансовые возможности — покупай и пользуйся. Однако это обстоятельство нисколько нс стесняет радиолюбительскую мысль, которая нс только нс утратила былой активности, но, даже поспевая за временем, перешла в новое качество. Спросите, в какое? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте вспомним, каким путем традиционно шли радиолюбители, и тогда нам проще будет понять, какие горизонты открылись для них сегодня.
Обычно начиналось все с конструирования детекторного приемника. Потом к этому чуду радиотехники пристраивался усилитель на транзисторе. Позже следовали более или менее удачные попытки создания супергетеродина. С момента завершения этой конструкции появлялось желание выйти в эфир самостоятельно, и радиолюбитель занимался постройкой радиостанции. Само собой разумеется, что на этом пути встречались «верстовые столбы» в виде цветомузыкальных установок, усилителей низкой частоты, самодельных измерительных приборов.
Появление дешевой и надежной элементной базы цифровой техники открыло еще одно направление радиолюбительского творчества — конструирование логических автоматов, персональных компьютеров и автоматических определителей номера телефонных абонентов. «Заболевание» микропроцессорной техникой происходило, как правило, столь серьезно, что развивалось в профессиональное. Из «Радио-86РК», «Ориона» и ZX-Spectrum выросло целое поколение талантливых инженеров-разработчиков.
Нельзя не отметить, что радиолюбители традиционно пользовались отечественной элементной базой. Это и понятно — другой базы
просто нс было. Увы, с начала 90-х годов отечественные радиоэлементы стали исчезать с рынка, поскольку останавливалось их производство. Перестали выходить технические книги и журналы, даже любимые всеми журналы «Радио» и «Радиолюбитель» выживали с огромными трудностями Недавно на массовый отечественный рынок хлынул поток недорогих импортных электронных компонентов, таких, как функциональные микросхемы, однокристальные микроконтроллеры, программируемые логические матрицы, жидкокристаллические панели, транзисторы, коммутационные изделия... Краткое затишье сменилось бурным ростом творческого интереса к этим радиодеталям: ведь осуществилась долгожданная мечта радиолюбителя — возможность без труда достать тот или иной радиоэлемент.
Ныне возобновляется выход научно-технической литературы, более того, стремительное развитие компьютерных технологий позволяет уже сегодня любому желающему найти в сети Интернет необходимую информацию. Когда-то рутинный и нудный, нынешний процесс компьютерной «разводки» печатных плат напоминает интеллектуальную игру. Системы схемотехнического моделирования имеют такие обширные возможности, о которых приходилось только мечтать каких-нибудь пять лет назад. Естественно, что радиолюбители нс остались в стороне от этих замечательных вещей.
Какие темы для разработки можно предложить нынешнему радиолюбителю, «до зубов» вооруженному компьютерной техникой? Как и в прошлые годы, сегодня существует круг тем, которые нс найдут поддержки. К примеру, едва ли кто будет конструировать сотовый телефон, монитор или телевизор — слишком это сложно и дорого. Сборка компьютера сегодня также превратилась в процесс «втыкания» трех-четырех разъемов, которые невозможно перепутать местами. Выходит, как и прежде, что интересы большинства радиолюбителей лежат в области радиосвязи, радиовещания, усилительной техники и несложных цифровых конструкций. И тем не менее давайте в рамках этой книги поговорим об известных вещах на новом языке.
Если мы обратим внимание на диапазон ультракоротких волн, в котором располагаются радиовещательные станции, то откроем для себя много нового. Во-первых, здесь много хорошей музыки па любой вкус, во-вторых, качество звучания несравнимо лучше качества
звука па классических AM диапазонах. И в-третьих, что самое, на взгляд автора, важное, — передачи ведутся в стереофоническом режиме! Тем не менее конструирование приемников радиовещательных станций в диапазоне УКВ всегда находилось на обочине радиолюбительского творчества, что вполне объяснимо, так как в состав приемника обязательно нужно было вводить достаточно сложные и высококачественные элементы (частотный детектор, фильтр сосредоточенной селекции, стерсодекодер). Все эти задачи ныне успешно решены на уровне микроэлектроники.
Область цифровых устройств сегодня смещается в сторону однокристальных микроконтроллеров. Еще совсем недавно невозможно было представить, что появятся полноценные миниатюрные микропроцессорные устройства по цене 2 3 доллара, которые легко можно «настроить» на решение разнообразных радиолюбительских задач. Освоить это чудо цифровой техники возможно в домашних условиях.
Цель книги многолика. Во-первых, есть желание помочь читателю самостоятельно освоить отечественный (УКВ) и зарубежный (FM) диапазоны радиовещания, изготовить несложный стереофонический приемник для дома, работы и дачи. Во-вторых, хочется познакомить с опытом освоения техники программирования микроконтроллеров и применения их в радиолюбительских конструкциях. И в-третьих, что, на взгляд автора, самое увлекательное, — создать вместе с читателем простой приемник с современным синтезатором частоты и микропроцессорным управлением. Попутно читатель узнает много полезных вещей, которые, уверен, пригодятся ему во всех областях радиолюбительского творчества.
Автор
Санкт Петербург.
Октябрь 2001 г.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Основные принципы УКВ радиовещания
1.1. Распространение ультракоротких волн
Ультракороткие волны (УКВ) — это огромный диапазон электромагнитных волн, который широко используется в современной технике радиовещания, телевидения, радионавигации, радиоастрономии, гражданской, военной и космической связи. Ультракороткие волны условно разделены на поддиапазоны, названия которых приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1 Поддиапазоны ультракоротких волн
Поддиапазон УКВ Длина волны, м Частота, МГц
Метровый 10—1 30—300
Дециметровый 1—0,1 300—3000
Сантиметровый 0,1—0,01 3000—30 000
Миллиметровый 0,01—0,001 30 000—300 000
Ультракороткие волны каждого поддиапазона обладают определенными свойствами, к примеру, миллиметровые волны сильно поглощаются дождем, градом, снегом. Менсе подвержены влиянию атмосферных осадков сантиметровые волны, однако у них имеются другие характерные особенности. На самом деле невозможно провести резкую границу между разными частотным поддиапазонами УКВ, поэтому классификация, приведенная в табл. 1.1, условна.
Сразу оговоримся, что все конструкции радиоприемников, описанные в этой книге, не выходят за рамки поддиапазона метровых волн, точнее, его части, простирающейся от 64 до 109 МГц. Более того, предполагается, что радиоприем будет осуществляться в уверенной зоне, то есть там, где качественное звучание обеспечивается с помощью стандартных средств. И все же давайте кратко познакомимся с особенностями распространения ультракоротких волн в пространстве.
Общеизвестно, что на распространение электромагнитных волн сильное влияние оказывает не только земная поверхность, но и атмосфера Земли. Электромагнитные волны короче 4—5 м обычно распространяются в пределах прямой видимости, так как ионосфера Земли для них абсолютно прозрачна. В диапазоне от 4 до Юм УКВ волны могут отражаться от спорадического слоя атмосферы и, как следствие, распространяться на большие расстояния (до 2000 км и более). Спорадический слой представляет собой скопление сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабоионизи-рованного газа. Чаще всего спорадический слой возникает летом, в периоды высокой солнечной активности, однако причины его образования до сих пор неясны. Существует предположение, что появление спорадического слоя является следствием падения потоков космических метеоров и их сгорания в атмосфере. Как бы там ни было, но спорадическое распространение носит случайный характер и при разработке радиовещательной техники ориентироваться на него нельзя. Однако в любительском радиоспорте случайный сверхдальний прием популярен и поощряется почетными наградами. Случайный прием радиовещательных станций настолько необычен, что для сведущего в вопросах распространения радиоволн человека он может стать источником незабываемого впечатления. Известный радиолюбитель-популяризатор Владимир Тимофеевич Поляков в своей книге [1] описал такой забавный случай:
«Хорошо помню, как утром, поеживаясь от еще не ушедшей ночной прохлады, я вылез из палатки, стоящей па берегу Онежского озера, около Вытегры, и включил приемник Не сразу сообразив, что я делаю, я включил УКВ диапазон и настроился на ленинградскую станцию. Послушал, какая там погода, какие фильмы и концерты ожидаются вечером. Наконец, вспомнил, что до Ленинграда больше четырехсот километров и попасть туда вечером совершенно нереально. Но что самое главное, УКВ сигналы не должны были приходить оттуда! Уяснив себе, что столкнулся с аномальным явлением распространения радиоволн, стал внимательно прослушивать весь диапазон. И что же? Передают последние новости из Новгорода, а уж Петрозаводск слышно, как Москву в московской квартире.. К одиннадцати часам не было слышно ни дальних городов, ни Петрозаводска, до которого было всего каких-нибудь 150 км».
В книге [2], вышедшей еще в 1966 году, говорится о возможности создания искусственных ионизированных облаков для обеспечения сверхдальней радиосвязи за счет спорадических образований. Предполагалось, что с помощью малогабаритной ракеты па высоте | 100—150 км будет распыляться легкоионизирующсеся вещество, тем самым поддерживая возможность сверхдальней связи. Опыты показали, что ракета может сформировать столб ионизированного газа, достигающий нескольких десятков метров и сохраняющийся около часа Одпако в более поздних книгах эта идея уже не упоминается, что вполне понятно, так как бурное развитие космической радиосвязи с помощью искусственных спутников показало эффективность и надежность именно такого вида ретрансляции сигнала.
В диапазоне УКВ электромагнитные волны сильно поглощаются поверхностью Земли и поэтому распространяются на незначительные расстояния. Для увеличения дальности их распространения используются антенны, высоко поднятые над поверхностью земли. Например, в Санкт-Петербурге, где проживает автор этой книги, радиовещательная УКВ антенна (она находится у Финляндского вокзала) представляет собой сложное инженерное сооружение, похожее на огромную распустившуюся ромашку с длинным стсбельком-мачтой. Другая известная УКВ антенна — это телебашня.
Препятствия в виде горных хребтов, холмов, жилых домов, промышленных построек также влияют па распространение радиоволн УКВ диапазона. При определенных условиях препятствия могут не только не ослаблять волну, но даже усиливать ее (!), что объясняется сложением в месте приема прямой и отраженной от препятствия волны. Однако отраженная волна может в точке приема компенсировать прямую волну, тогда говорят об «ослаблении за счет препятствия». Явление «ослабления за счет препятствия» хорошо знакомо автомобилистам, когда при использовании слишком короткой антенны звук приемника в движущемся автомобиле периодически замирает. В процессе экспериментов с конструкциями, описанными в этой книге, автор несколько дней посвятил выбору удачного места для приемной антенны. Как оказалось, для высококачественного УКВ приема очень важно правильно расположить приемную антенну в городской квартире, насыщенной железобетонной арматурой и другими препятствиями. Влияние на качественный радиоприем оказывают
порой самые неожиданные обстоятельства, такие, например, как человек, пересекающий прямую линию передатчик-приемник, или утренний 20-градусный мороз. Какие-либо теоретические советы дать здесь невозможно — все зависит от конкретных условий и определяется экспериментально. К радости автора, ему удалось в своей квартире найти неожиданное и удачное по стабильности место на книжном шкафу.
На распространение ультракоротких волн сильное влияние оказывает нижний слой атмосферы на высоте 10—14 км, называемый тропосферой. Вследствие изменения температуры и влажности воздуха по высоте в тропосфере может возникнуть явление рефракции (преломления) электромагнитной волны. В результате рефракции дальность распространения радиоволн УКВ может увеличиваться или уменьшаться.
Объясняется явление рефракции тем, что электромагнитная волна при распространении в неоднородной воздушной среде слегка огибает земную поверхность. С явлением рефракции УКВ волн автор впервые столкнулся в школьные годы, в конце 80-х, когда некоторые радиолюбители Ленинграда увлекались дальним приемом передач финского телевидения. Дело в том, что Хельсинки располагается достаточно близко от северной столицы, но не в зоне уверенного приема. Поэтому, изготовив антенну типа «волновой канал», можно было в хорошую погоду смотреть (естественно, без звукового сопровождения) передачи первого государственного канала Финляндии. Надо сказать, что такие моменты выпадали нечасто.
Удивительным частным случаем рефракции является сверхрефракция, когда в тропосферном слое возникают настоящие волноводы Радиоволны в этих волноводах, как по трубам, отражаясь многократно от «стенок», распространяются на расстояния до 1000 км и более. Явление сверхрефракции характерно для диапазона сантиметровых волн, а метровые волны получают возможность такого распространения крайне редко.
На этом закончим краткое знакомство с распространением УКВ волн, поскольку этих сведений вполне достаточно для радиолюбителя, занимающегося конструированием радиовещательных приемников Запомним, что качественный прием радиовещательных УКВ станций возможен только в зоне прямой видимости передающей ан
тенны и только при тщательном выборе конструкции и места расположения приемной антенны. О конструировании приемных антенн в последние годы издано достаточно много книг. По ходу книги автор расскажет о конструкции антенны, с помощью которой он ведет радиоприем. А сейчас перейдем непосредственно к теме нашей книги — к радиовещательному приемнику.
1.2. Виды модуляции
Как вы думаете, можно ли изготовить в домашних условиях качественный УКВ приемник, имея под рукой только классический мультиметр и немного радиолюбительской сноровки? Лет десять назад на этот вопрос ответили бы однозначно «нет». Сегодня на рынке имеется множество интегральных микросхем, к которым необходимо подключить минимум навесных элементов, чтобы в громкоговорителе появились звуки радиопередачи. При написании этой книги автор стремился именно к такому подходу — разработать конструкции, доступные для повторения широкому кругу радиолюбителей. Однако пытливому уму интересен не только момент, когда его детище оживает, но ему всегда важно разобраться, как работает конструкция, почему так, а не иначе, какие шаги нужно предпринять, чтобы улучшить схему. Поэтому, прежде чем приступить к изготовлению первого УКВ радиоприемника, автор счел необходимым ввести в книгу небольшую теоретическую часть, рассказать об основах радиовещательного приема на УКВ, о сигналах и способах их обработки, об основных параметрах приемников, о конструктивных радиотехнических элементах. Если для вас теория является не слишком занимательным времяпровождением, можете смело отправляться к началу второй части. А тем, кто решил задержаться и познакомиться с теоретической частью, сообщим, что это краткое знакомство не предполагает быть утомительным и нудным, как при чтении академических монографий. В конце концов мы не собираемся профессионально проектировать радиоприемную аппаратуру, а увлекаемся радиолюбительским творчеством. Итак, к делу.
Как известно, источником электромагнитного поля является переменный электрический ток, текущий по проводнику. А устройство,
создающее электромагнитное поле в пространстве, представляет собой генератор переменного тока, соединенный с антенной. Антенна излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Такое устройство принято называть радиопередающим. Сейчас нас мало волнует, как устроены «внутренности» радиопередатчика. Мы знаем, что в окружающем нас пространстве имеются электромагнитные волны, излучаемые этими устройствами, знаем частоту передачи, знаем, что волны несут для нас информацию. Поэтому нам важно получить техническое средство, с помощью которого мы сможем преобразовать информацию, содержащуюся в электромагнитной волне, к такому виду, который возможен для восприятия нашими органами чувств. В данном случае мы хотим преобразовать ее в звуковые колебания. Так вот, устройство, перехватывающее электромагнитную волну и преобразующее ее в удобный для восприятия вид, называется радиоприемным устройством. В этой книге мы не только подробно разберем принцип действия, но еще и самостоятельно изготовим несколько таких радиоприемников.
Вопрос второй. Каким образом «насытить» электромагнитную волну необходимой информацией? Самый простой способ — поступить по принципу: есть волна — нет волны. Первые радиопередающие и радиоприемные устройства были спроектированы именно по такому принципу, а для передачи информации приняли азбуку Морзе. К слову сказать, столь примитивный способ передачи информации оказался настолько надежным и помехоустойчивым, что его используют до сих пор, называя «телеграфным» способом.
В начале XX века телеграфная радиосвязь изумила многих, но в дальнейшем, когда к ней привыкли, появилось желание передавать не только точки-тире, но еще и голос Задача оказалась не слишком простой — ведь диапазон частот, слышимый человеческим ухом, лежит в низкочастотной области, а именно от 16 Гц до 10 кГц. В то же время для получения эффективного излучения электромагнитной энергии необходимы высокочастотные колебания. Как же быть?
Задачу решили наложением низкочастотного сигнала на высокочастотные колебания, а сам процесс наложения назвали модуляцией. Математически процесс модуляции иллюстрируется очень просто.
К примеру, периодическое электрическое колебание можно записать так:
(/ = (/„ sin(O)oZ+<po), где Um -— амплитуда колебания;
соо — частота колебания;
<Ро — фаза колебания.
Процесс модуляции представляет собой изменения одного из параметров колебания высокой частоты по закону управляющего низкочастотного сигнала. В зависимости от того, какой параметр (амплитуда, частота, фаза) подвергается изменению, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляции.
Колебания высокой частоты, используемые для передачи сигналов, носят название несущей частоты.
Исторически первой появилась амплитудная модуляция. Она до сих пор используется на радиовещательных диапазонах длинных, средних и коротких волн несмотря на то, что обладает низкой помехозащищенностью и крайне неэффективна. Причин тому несколько. Во-первых, коротковолновый диапазон — это единственный диапазон, в котором сравнительно просто обеспечивается радиовещание по всему миру. Для коротких волн не нужны ретрансляторы — они сами достигают нужных точек за счет отражения. Во-вторых, конструктивные особенности радиоприемников, имеющихся в эксплуатации, не позволяют перейти на более эффективные способы радиовещания.
Давайте кратко рассмотрим особенности амплитудной модуляции (AM), тем более что в рамках этой книги не предполагается сборка AM приемника. Для простоты будем считать, что управляющим сигналом служит гармоническое (синусоидальное) колебание. Выражение для амплитудно-модулированной несущей запишется следующим образом:
и=и.
1 1
1ч-----sinslr sino)n7,
U
где Q — частота управляющего сигнала.
Кривая, соединяющая точки, соответствующие амплитудным значениям несущей, называется огибающей. Базовый параметр, характеризующий AM колебание, — это коэффициент модуляции
Рис. 1.1. Амплитудно-модулированное колебание
В других источниках может встретиться понятие глубины модуляции, что по сути одно и то же.
Д6/ т =-----
Um
Коэффициент модуляции не должен быть слишком маленьким, в противном случае мы не сможем различить полезную информацию на фоне несущей. Однако, если его значение будет больше 1, это вызовет персмодуляцню и, как следствие, искажение информации. Поэтому стандартное значение m в радиовещательной технике равно 0,3. В этом случае при наиболее громких звуках не наступает пере-модуляция.
Здесь уместно рассказать о таком понятии, как спектр радиосигнала. Уже знакомая нам гармоническая функция изображается синусоидой во временной области, то есть в такой, где по горизонтальной оси графика откладывается время Но существует еще одна широко используемая область частотная, в которой гармоническое колебание выглядит так, как показано на рис. 1.2, то есть вертикальной черточкой. Обратите внимание: по горизонтальной оси откладывается уже не время, а частота.
Важно отметить, что спектр периодического, но несинусоидального колебания представляет собой набор синусоидальных «дискрет», вертикальных черточек, показанных на рис. 1.3.
_____________________со
СОо
Рис. 1.2. Спектр гармонического колебания
негармонического колебания
Французским математиком Ж. Фурье (1768—1830) было доказано, что любой несинусоидальный сигнал можно по определенному правилу составить из суммы гармонических функций. Как показала практика, производить расчеты в частотной области намного проще и нагляднее, чем заниматься тем же делом в области временной. Таким образом, анализ Фурье занял в радиотехнике одно из ведущих мест.
Следует также сказать, что непериодические сигналы, к которым относится речь человека и музыка, тоже подчиняются анализу Фурье, только их спектр уже нс дискретный, а сплошной, что и отражено на рис. 1 4.
Амплитудно-модулированное колебание — это периодический сигнал, который уже нс имеет гармонического характера. Спектральный состав AM сигнала легко оценить, если преобразовать его аналитическое выражение с помощью известной формулы произведения синусов. В результате получим
U-U_ sinconZ + — mU cos(a>„ -fi)/ —mU cos(co„
Хорошо видно, что спектр ДМ колебания содержит, кроме несущей, две боковые частоты: (соп - О) и (соо + О).
«Хорошо, — скажете вы, — но синусоидальный сигнал представляет собой однотонный звук. Что произойдет со спектром AM колебания, если оно будет модулировано человеческой речью, то есть непериодическим сигналом?» Отвечаю.
Для передачи разборчивой речи необходимо, чтобы передатчик имел возможность модулировать несущую на любой из частот, лежащих в полосе от 250 Гц (Он) до 3 кГц (П„). Спектр ДМ колебания в этом случае будет иметь, кроме несущей, две зеркально-симметричные боковые полосы, в точности повторяющие форму спектра низкочастотного сигнала.
В заключение краткого рассказа об ДМ сигналах предлагаю оценить эффективность такого вида радиовещания с точки зрения использования мощности передатчика. Наглядный пример расточительного характера классической ДМ приведен в списке литературы [1]. Действительно, как уже было сказано, коэффициент модуляции в стандартных условиях радиовещания не превосходит 0,3. Амплитуда каждой из боковых полос составляет т/2, то есть 0,15 амплитуды несущей. Мощность, квадратично зависящая от амплитуды сигнала, в данном случае составляет 0,0225 от мощности несущей. Представьте себе: менее 5% сигнала несет полезную информацию, которая содержится в боковых полосах и более нигде! Осознали этот факт достаточно поздно, когда радиовещание на основе классической ДМ модуляции стало стандартом.
Поиски более удачных, более эффективных и более помехозащищенных способов радиовещания привели к тому, что в 1935 году была предложена система с угловой модуляцией. Угловая модуляция — это модуляция посредством частоты несущей или ее фазы при постоянстве амплитуды. Данный вид модуляции лежит в основе радиовещания на УКВ. В начале рассказ о фазовой модуляции (ФМ).
Предположим, что модуляцию несущей осуществляет гармоническое колебание. Тогда закон изменения фазы несущей
Ф(/) = ФО +A<psin£2/, где фо — начальная фаза колебания.
Подставляя выражение для фазы в аналитическое выражение несущей, получаем
U-Uт 5т(о>0/ + ф0 + АфятЛ/)
Важно заметить, что величина ДфзтП/ характеризует опережение (отставание) по фазе модулированного сигнала от фазы, которую имел бы немодулированный сигнал.
Рис. 1.7. Пример ФМ колебания
Мгновенное значение фазового угла модулированного ФМ колебания определяется из выражения
0 =(£>ot + <р0 + AcpsinQ/
Угловая частота колебания является производной фазового угла по времени.
+ Acpflcosfh,
где АфО _ Асо — амплитуда отклонения частоты со от частоты Оо
Вы не слишком напуганы теоретическими выкладками? По ходу книги их будет немного, только самое необходимое. Главное для нас — это физический смысл полученного соотношения А он таков: меняя фазу колебания, мы неизбежно меняем и его частоту, причем величина отклонения частоты зависит как от амплитуды модулирующего сигнала, так и от его частоты. Величина максимального фазового отклонения весьма просто связана с максимальным частотным отклонением —девиацией:
где Асо — девиация частоты;
Р — индекс модуляции (не путать с глубиной модуляции’).
На практике девиацию обычно выражают не в рад/с, а в Гц, что в 2л раз меньше.
Теперь настало время рассмотреть частотную модуляцию (ЧМ) при воздействии синусоидального управляющего сигнала. Обозначим амплитуду отклонения частоты через Асо:
со =соо + AcocosOz.
После преобразований получим аналитическое выражение ЧМ колебания:
Г С Асо _
U~U„ sm cooZ + —-sinQz + ф0
Обозначим
^=₽. я
19
18
Тогда
U-Um sin(ti)0Z +PsinQ/ + <р0).
Хорошо видно, что при изменении частоты несущей меняется и ее фаза. Более того, мы пришли к выражению, которое было выведено в рассказе об ФМ. У читателя может сложиться впечатление, что ЧМ и ФМ одно и то же. Действительно, рассматривая частный случай (модулирование синусоидальным сигналом), мы получим идентичные спектры и не заметим разницы. Однако разница проявится, как только управляющий сигнал перестанет быть гармоническим. Зарыта собака в индексе модуляции и его зависимости от входного воздействия, что отражено в табл. 1.2.
Таблица 1.2
ФМ ЧМ
Р = Л2(^/О)
Нетрудно заметить, что ФМ обеспечивает постоянный индекс модуляции при любой модулирующей частоте. Для ЧМ индекс модуляции — понятие менее определенное, поскольку он меняется с изменением модулирующей частоты. Отсюда можно сделать заключение, что спектры колебаний ЧМ и ФМ вида будут несколько отличаться друг от друга. Но как быть с индексом модуляции для ЧМ, как определить его? В радиотехнике принято оценивать индекс модуляции для максимальной модулирующей частоты. Для более низких частот индекс модуляции становится больше.
Осталось оценить вид и ширину спектра сигнала с угловой модуляцией Так как подобный анализ довольно сложен для радиолюбителя, воспользуемся его результатами, приведенными в списке литературы [6, 7, 8]. При небольших индексах модуляции (Р < 0,5) выражение для модулированного ЧМ и ФМ сигнала может быть приведено к виду
U = Um sincof + ^-psin(coo +Q)r ~~~Psin(coo -ОД.
He правда ли, знакомое выражение? Давайте взглянем на такое же точно выражение для AM сигнала, чтобы убедиться — память нас
не подвела. При малых фазовых отклонениях амплитудные спектры дМ ФМ и ЧМ сигналов идентичны Различие наблюдается лишь в фазовых спектрах, но это более тонкий анализ, и мы не будем на нем заострять внимание.
Если индекс модуляции таков, что уже более нельзя пользоваться простыми соотношениями, на помощь приходит анализ Бесселя, позволяющий представить сигнал с угловой модуляцией более наглядно:
= А Ё7* (P)cos(co0 + Ю)/.
Видно, что в спектре сигнала появляются боковые частоты с индексами «к». При возрастании р амплитуды боковых частот высших порядков начинают быстро расти, а амплитуда несущей — уменьшаться. Возможен даже такой вариант, когда амплитуда несущей и боковых полос первого порядка станут равными нулю!
Угловая модуляция, при которой наблюдается заметное появление боковых полос высших порядков, называется широкополосной.
рис. 1.8. Спектры
сигналов с угловой модуляцией при различных индексах модуляции
Точно определить ее спектр при воздействии непериодического модулирующего сигнала — задача намного более трудоемкая, чем такая же задача исследования AM. Приближенно считают, что ширина спектра радиовещательного широкополосного ЧМ сигнала
fis^(l+P + TP), я
где В — ширина спектра модулированного сигнала, — верхняя модулирующая частота сигнала.
Можно также определить ширину спектра и через девиацию частоты:
В = — (Дю+Q,,). л
Итак, чтобы принять радиопередачу без заметных на слух частотных искажений, необходимо учитывать наличие не только боковых полос первого порядка, но еще и полос высших порядков В дальнейшем мы поговорим о стандартных спектрах сигналов, излучаемых радиовещательными станциями, а сейчас обратимся к вопросам устройства радиовещательных приемников ЧМ
1.3. Структура радиовещательного приемника и его параметры
Аксиома радиотехники гласит- «Чем проще конструкция, тем надежнее она работает». А что может быть проще первой радиолюбительской конструкции — детекторного приемника? Поройтесь в коробке, где лежат ваши первые «опыты», отыщите его, подключите антенну и заземление. Уверяю вас: детекторный приемник оживет и будет работать точно так же, как тогда, когда вы включали его в первый раз Однако простота детекторного приемника оборачивается массой других недостатков. Во-первых, прием ведется исключительно на головные телефоны, во-вторых, нужна большая антенна и заземление, в-третьих, слушать можно только местную радиовещательную ДВ или СВ станцию («раскачать» детекторный приемник более удаленным станциям не под силу) И все же детекторный приемник занял в истории техники такое же место, как паровая машина
или воздушный шар. Современный радиоприемник устроен горазд сложнее, и именно благодаря тому, что в нем содержится много различных устройств, возможен качественный и «дальнобойный» радиоприем. Усложнение конструкции — плата за расширение возможностей. Чтобы знать, за что мы платим где необходимо переплачивать а где не передать лишнего, рассмотрим основные виды и параметры радиовещательных приемников УКВ диапазона.
Структурная схема радиовещательного приемгика приведена на рис. 1 9. Радиоприемная антенна улавливает электромагнитные волны и преобразует их в электрические сигналы Надо сказать, что антенна улавливает также и различные помехи которые накладываются на полезный сигнал. Принятый сигнал далее поступает на высокочастотный (ВЧ) каскад, основное назначение которого по возможности отделить полезный сигнал от внешних помех, а также усилить его до уровня, обеспечивающего нормальную работу детектора. Для радиовещательного приема используется метод частотной селекции (избирательности), который осуществляется с помощью частотно-селективных цепей. Проще говоря мы «вырезаем» необходимый нам кусочек частотного диапазона с помощью специального фильтра.
Антенна
Рис. 1 9 Структура радиовещательного приемника
Детектор предназначен для выделения полезного (информационного) сигнала из модулированного сигнала Разработано и успешно применяется множество разных детекторов К примеру классический детектор AM колебания — это полупроводниковый диод. Для детектирования ЧМ колебании используются свои детекторы в частности один из них носит название дробного Особый класс детекторов — синхронные все шире и шире применяется в современной радиоприемной аппаратуре.
Продетектированный сигнал усиливается низкочастотным трактом (НЧ) и поступает на громкоговоритель. Низкочастотный тракт включает в себя различные фильтры подавления внеполосных составляющих звукового сигнала, всевозможные частотно-корректи-рующие звенья, регуляторы тембра, усилители низкой частоты (УНЧ), усилители мощности (УМ), эквалайзеры, акустические системы и многое другое. Автор не счел необходимым включать в книгу описания этих устройств — они хорошо известны, более того, в последние годы было издано достаточно литературы по электроакустике. Исключение сделано лишь для подавляющих фильтров и частот-но-корректирующих звеньев, так как они скорее принадлежат радиоприемной части, нежели звукоусилительной. Да и устанавливать их целесообразнее на плате приемника, а не УНЧ.
В зависимости от структуры ВЧ тракта радиоприемники делятся па три основных типа: прямого усиления, супергетеродинные и гетеродинные (прямого преобразования). ВЧ тракт приемников прямого усиления содержит усилитель радиочастоты (УРЧ) и цепь селекции — колебательный контур, настроенный на частоту полезного радиосигнала. Приемники прямого усиления, работавшие в диапазонах ДВ и СВ, отошли в прошлое из-за неважных эксплуатационных параметров. Для приема УКВ эта схема не использовалась вообще.
Основная схема, которая применяется на УКВ диапазонах, — это супергетеродинная схема. Разработанная в начале XX века, она до сих пор остается наиболее популярной при построении радиовещательных трактов. Давайте подробно рассмотрим принципы, заложенные в ее основу, достоинства и недостатки.
Структурная схема приемника, построенного по супергетеродинной схеме, приведена на рис. 1.10. Принимаемый сигнал частотой /, вначале проходит через достаточно широкополосный фильтр Z1, называемый преселектором, где он фильтруется от внешних помех. Преселектор выполняет еще одну функцию — он ослабляет так называемый зеркальный канал приема. В УКВ радиоприемниках преселектор делают перестраиваемым и снабжают усилителем радиочастоты (УРЧ). Далее сигнал поступает на схему смесителя U1, где преобразуется в промежуточную частоту fn4 (ПЧ). Каким образом осуществляется преобразование? Дело в том, что смеситель спроектирован так, что имеет возможность перемножать два сигнала. Один
Рис. 1.10. Структурная схема супергетеродинного приемника
из перемножаемых сигналов — это принимаемый сигнал, а второй — сигнал гетеродина^. Гетеродин представляет собой маломощный генератор гармонического сигнала. Математически процедура преобразования частоты выглядит следующим образом.
Запишем выражение для входного сигнала:
Ut=Ucmax COS27lf,t.
А так запишем выражение для сигнала гетеродина: ^=^ma.xcos2n/2r
Поскольку смеситель осуществляет операцию перемножения двух сигналов, после преобразования по формуле произведения косинусов получим
kUcmnU1Bm [cos 2л(/, - f2 )t + cos2я(/, + f2 )/],
где к — коэффициент преобразования;
Um— сигнал промежуточной частоты.
Мы видим, что на выходе смесителя появилось две гармонических составляющих, одна из которой является суммой частоты сигнала и гетеродина, а вторая — разностью. Теперь необходимо решить, какую из составляющих (суммарную или разностную) использовать для дальнейшего преобразования. Теоретически не видно никакой разницы — составляющие равнозначны. Практически же оказывается, что гораздо удобнее работать с разностной составляющей, и вот почему. Сигнал ПЧ поступает на фильтр промежуточной частоты Z2, который отфильтровывает одну из ненужных составляю
щих. Изготовить фильтр ПЧ для выделения разностной составляющей намного проще, чем для выделения суммарной. Долгое время для этой цели использовались фильтры сосредоточенной селекции, построенные на индуктивно-емкостных контурах. Теперь применяются пьезокерамические фильтры. Пьезокерамика технологична в изготовлении, малогабаритна и стоит недорого. А вот для выделения суммарной составляющей подойдут только дорогостоящие кварцевые фильтры.
Отфильтрованный сигнал ПЧ дополнительно усиливается усилителем промежуточной частоты А1 (УПЧ) и детектируется частотным детектором U2 (ЧД) После детектирования низкочастотный звуковой сигнал усиливается А2 (УНЧ).
«К чему такие сложности? — спросите вы. — Неужели нельзя непосредственно детектировать принятый сигнал, предварительно его усилив?» Кто сказал, что нельзя? Можно поступить и так, если во всем диапазоне частот работает только одна радиопередающая станция. Настроил цепи радиоприемника на нес, и можно ни о чем не беспокоиться. Однако станций много, и слушателю вряд ли понравится, если он одновременно будет слышать голоса двух-трех радиопередач. Для того чтобы обеспечить селективность приемника (то есть придать ему способность принимать только нужные частоты), необходимо ограничить полосу пропускания радиоприемного тракта, а сам тракт сделать перестраиваемым. Две эти противоречивые задачи невозможно совместить в одном устройстве. Вообще-то, если быть до конца честным, совместить-то можно, но преселектор получится дорогим, сложным и ненадежным. Гораздо проще изготовить нсперестраиваемый фильтр промежуточной частоты с требуемым показателем селективности, а перестраивать гетеродин и невысоко-селективный преселектор одновременно. Вот и вся премудрость супергетеродинного приема.
Рассказывая о супергетеродинном приемнике, мы и не вспоминали, что вместе с полезным сигналом в тракт радиоприемника может «просочиться» помеха. Поэтому коротко упомянем основные виды помех и разберемся, чего следует опасаться при приеме УКВ, а чего — нет.
Атмосферные радиопомехи — это помехи, источником которых являются грозовые разряды. Интенсивность атмосферных помех
уменьшается с ростом рабочей частоты диапазона. К счастью, атмосферные помехи проявляются в основном в диапазонах ДВ и СВ, не «долетая» до диапазона УКВ. В громкоговорителе они прослушиваются как трески и шорохи. Единственная возможность услышать щелчок атмосферной помехи на УКВ — включить приемник в тот момент, когда разряды молнии происходят над местом приема
Индустриальные радиопомехи — это электромагнитные возмущения, порождаемые различными электротехническими устройствами. Источников индустриальных помех повсюду очень много: электрические двигатели, системы зажигания автомобилей, линии электропередачи, сварочное оборудование, компьютерная техника, люминесцентные лампы и т. д. Автору приходит на ум красноречивый пример из его практики: когда за стенкой, в соседней квартире, включается пылесос или электродрель, в приемнике начинает прослушиваться негромкий треск. Треск неприятен на слух и заставляет на время убавлять до предела громкость.
Пуги проникновения индустриальных помех могут быть различны. Во-первых, помехи наводятся по цепям питания, а во-вторых, проникают через приемную антенну. Ощутимый эффект ослабления помехи дает экранировка приемника. Однако полностью избавиться от индустриальных помех не удается, поэтому с редко возникающими тресками и шумами легче смириться, чем бороться.
Помехи от посторонних радиопередающих средств возникают при работе приемника вблизи мешающих источников радиоволн. Причем излучаемые волны могут находиться в той же полосе частот, в которой ведется прием, а также в другой полосе частот. «Радиопередатчики находятся далеко от меня, — скажете вы, — и такой вид помех в моей квартире маловероятен». Но как раз посторонние радиопередающие средства являются основным источником помех па УКВ Не верите? Вот первый пример. Несколько лет назад на отечественном рынке появились домашние беспроводные телефоны, излучение радиопередающей части которых попадало в полосу приема 1-го телевизионного канала. Из-за плохо продуманных средсть по борьбе с внеполосным излучением этот телефон буквально забивал изображение, которое покрывалось плывущей сеткой В какой-то мере проблема была решена переходом на более высокочастотную несущую (900 МГц), однако в эксплуатации еще находится немало низ
кочастотных аппаратов, так что, встретившись с неожиданными помехами телеприему, не стоит исключать данный вариант из рассмотрения.
Второй пример. При разговоре по беспроводному телефону в одном из уголков квартиры периодически кто-то вклинивается в разговор Звуки достаточно бессвязны, слов не разобрать, но совершенно ясно, что это человеческая речь, а не что-то иное. Объяснение здесь также простое: внеполосное излучение передающего и недостаточная селективность приемного аппарата приводят к тому, что трубка «хватает» чужой канал.
Третий пример. Кто увлекался компьютером ZX-Spcctrum, наверняка помнит, что одновременно с работой компьютера слушать близкорасположенный УКВ радиоприемник было невозможно — весь диапазон забивали «гармоники»... Примеров можно привести множество. Наверняка и вы вспомнили нечто подобное из вашей практики.
Парадоксально, что сам супергетеродинный приемник также является источником излучения помех от гетеродина. Конечно, мощность излучения микроскопична, но в ряде случаев будет достаточно и ее. В этом вы можете убедиться, расположив радиоприемник вблизи комнатной телевизионной антенны, а также настроив телевизор на 3-й метровый канал. К слову, излучения гетеродинов промышленных приемников нормируются государственными стандартами Например, ГОСТ 5651 -64 на радиовещательные приемники нормирует допустимое излучение гетеродина именно в диапазоне УКВ. Но не пугайтесь, конструкции, описанные в этой книге, никому не помешают. И тем не менее не пренебрегайте высокочастотным экранированием, сделайте простенький экран там, где его предусмотрел автор.
С помехами мы разобрались. Теперь нам легче будет понять, какие недостатки имеются у «супергетеродина». Что такое зеркальный канал, о наличии которого мы уже упоминали вскользь? Зеркальный канал — это дополнительный канал приема, отличающийся по частоте от частоты настройки приемника на величину, равную удвоенному значению ПЧ. Давайте вначале представим, что преселектор Z1 обладает характеристикой селективности, изображенной на рис. 1.11 кривой «1». Тогда в полосу приема попадает, кроме полезного сигнала/р еще и мешающий сигнал /,*, отстоящий от полезного
сигнала на значение 2fm. Далее, как мы помним, сигнал подвергается преобразованию в смесителе и фильтрации в ФПЧ. Так вот, на выходе смесителя появится не только частота (ft -f2), но еще и (f2 - /,*), которая пройдет ФПЧ и наложится на основной сигнал, вызовет его искажения. Хорошо, если на частоте f* эфир чист. А если нет? Поэтому с зеркальным каналом необходимо бороться. Для этого применяются два способа. Во-первых, на УКВ принято завышенное значение ПЧ (10,7 МГц) по сравнению с диапазонами AM (промежуточная частота 465 кГц), чтобы «раздвинуть» интервал 2fll4. Во-вторых, характеристика селективности преселектора должна быть такой, как показана на рис. 1.11 кривой «2». Поскольку во всех конструкциях, описанных в книге, для формирования требуемой селективности используются готовые пьезокерамические фильтры, значение промежуточной частоты нам изменить не удастся А вот изготовить хороший преселектор вполне в наших силах.
Рис. 1.11. Зеркальный канал супергетеродинного приемника
Не следует думать, что побочные каналы в супергетеродинном приемнике ограничиваются только зеркальным каналом. На выходе смесителя имеются также частоты, образующиеся при смешении гармоник сигнала и гетеродина в соответствии с формулой
fn4 = mfx +nf2 .
В основном, конечно, в этой сумме преобладают гармоники гетеродина, поскольку он генерирует не совсем гармонический сигнал. Утешает то обстоятельство, что с ростом тип амплитуды гармоник резко падают, соответственно и комбинационные частоты практически незаметны.
Существуют еще некоторые недостатки, свойственные супергетеродинным приемникам, но мы не будем их упоминать в силу их незначительности.
Чтобы оценить качество приемника как радиоэлектронного устройства, введены некоторые оценочные критерии, касающиеся не только чистоты звука принимаемой радиопередачи, что, конечно, тоже важно Оценивается возможность уверенного приема слабых сигналов в условиях помех, эксплуатационные удобства, стабильность работы и многое другое. Об этом мы и поговорим далее.
Чувствительность — наименьшая величина входного сигнала, обеспечивающая при некоторых условиях заданный уровень выходного низкочастотного сигнала. Различают максимальную и реальную (номинальную) чувствительность.
Максимальная чувствительность — чувствительность при номинальном уровне выходного низкочастотного сигнала и отношении сигпал/шум на входе не менее 3 дБ.
Реальная чувствительность — чувствительность при номинальном уровне выходного низкочастотного сигнала и отношении сш пал/шум на входе не менее 26 дБ (для ЧМ сигнала).
Зачем необходимо измерять чувствительность? Дело в том, что вместе с полезным сигналом на вход приемника проникают и шумы. Более того, сам радиоприемник обладает способностью вносить шумы в полезный сигнал, так как шумят каскады его тракта — усилитель радиочастоты, смеситель, УНЧ. Природа этого шума — тепловая, поэтому надо обращать особое внимание при конструировании приемника, какая элементная база применяется. Интегральные микросхемы, используемые для построения приемников, оптимизированы по чувствительности. Однако, если, скажем, у потребителя возникнет желание сделать дополнительный входной каскад УРЧ на транзисторе, чтобы принимать более слабые сигналы, можно получить обратный результат — повысится уровень шума при приеме близко расположенных станций. Или, например, при прослушивании высококачественного приемника через шумящий УНЧ в шумах могут потеряться все усилия, затраченные на создание такого приемника. Необходимо выбирать малошумящую элементную базу и рациональные схемы ее включения
Чувствительность УКВ приемника обычно выражают в микровольтах, что является абсолютной единицей измерения. Но в ряде случаев удобно пользоваться относительными логарифмическими единицами, так называемыми децибелами.
Децибелы могут выражать отношение мощностей сигналов
' | F„=10lg^-.
где Рим — измеренная мощность, Вт;
Рзт — эталонная мощность, Вт.
Также децибелы могут выражать отношение уровней сигналов
РдБ =201g^,
эт
где Uuw — измеренное напряжение, В;
U3m — эталонное напряжение, В
Когда необходимо сравнивать сигналы, говоря, что один сигнал во столько-то раз больше другого, это удобно делать в пределах одного каскада. Если же нам нужно проследить прохождение сигнала сквозь множество каскадов, эти «разы» приходится умножать друг на друга. Величины удобнее складывать, что и можно делать с децибелами. Если говорить об уровнях сигнала, то 6 дБ — это увеличение в 2 раза, а 20 дБ — увеличение в 10 раз, их сумма — 26 дБ — увеличение в 20 раз. В дальнейшем мы обратимся к графикам, приводимым в технических условиях на интегральные микросхемы. Как оказывается, большинство из них отнормированы также в децибелах, так что потренируйтесь!
К сказанному добавлю, что 0 дБ — это отсутствие усиления, единица в «разах», а минусовые децибелы означают, что сигнал ослабляется.
Каким образом измеряют реальную чувствительность? Делают эту операцию так. На вход приемника подается сигнал от генератора стандартных сигналов (ГСС) через эквивалент антенны, как показано на рис. 1.12.
Поскольку реальная антенна имеет невысокое, но совершенно конкретное выходное сопротивление, она согласуется со входом
110
Рис. 1.12. Эквивалент антенны
приемника. Более того, оказывается, что от входного сопротивления приемника напрямую зависит амплитуда шумов, действующих на его вход:
Выходное сопротивление ГСС может отличаться от выходного сопротивления антенны, поэтому необходимо дополнительное его согласование с приемником при помощи эквивалента антенны. Входной сигнал приемника должен иметь уровень, соответствующий номинальной чувствительности, индекс модуляции р = 0,3 и значение модулирующей частоты 1 кГц. Радиоприемник настраивается на частоту генератора, затем измеряется напряжение на выходе (Uc). Затем модуляцию выключают и измеряют напряжение шумов на выходе (ЦД- Чувствительность рассчитывают по формуле
Для радиоприемников УКВ норма чувствительности составляет от 5 до 30 мкВ.
«Хорошо, — скажете вы, — а можно ли оценить чувствительность изготовленного приемника в домашних условиях, с помощью подручных средств?» Можно. Для этого собранный приемник нужно настроить на участок диапазона, свободный от радиостанций, подключив его к бытовому радиокомплексу. Поставив регуляторы громкости и тембра в среднее положение, нужно прослушать звук Равномерное шипение должно быть чуть заметно. Потом настроиться на радиостанцию, подключить вместо антенны кусок провода длиной 10—15 см. Радиостанция должна прослушиваться уверенно, хотя и с небольшим шипением. Если все окажется так, как здесь описано, значит, приемник получился с вполне удовлетворительной чувствительностью.
Способность приемника отличить полезный сигнал от внешней помехи оценивается его селективностью. Различают селективность по соседнему каналу, по промежуточной частоте и по зеркальному каналу.
Селективность по промежуточной частоте — возможность ослабления сигналов частот, равных промежуточной. Контролировать этот параметр необходимо вот почему. В тракт промежуточной частоты может непосредственно проникнуть мешающий сигнал с частотой, близкой к промежуточной. Этот сигнал продетектируется и вызовет искажения полезного сигнала. Поэтому фильтр промежуточной частоты всегда нормируется по такому параметру, как избирательность по побочному каналу. Нормальным и достаточным считается ослабление побочного канала, равное 30—40 дБ.
Селективность по зеркальному каналу показывает ослабление зеркального канала (в дБ) на выходе приемника. Это ослабление должно быть не менее 20—30 дБ.
Селективность по соседнему каналу оценивается шириной полосы пропускания и усредненной крутизной скатов селективной кривой, а также по многосигнальной селективности. Можно сказать, что селективность по соседнему каналу является основным параметром, характеризующим возможность принимать частоты одной передающей станции, не «захватывая» соседних станций. Измерение первых двух параметров производится по методу так называемой односиг-нальной селективности, когда предполагается, что на входе приемника имеется единственный полезный сигнал, свободный от помех.
Рис. 1.13. Оценка односигнальной селективности
Ширину полосы пропускания {Пук^) определяют по уровню 6 дБ от величины напряжения ГСС на входе приемника при соответствующей частотной настройке. Полоса пропускания на этом уровне должна соответствовать ширине спектра ЧМ сигнала, о чем мы говорили в предыдущем разделе.
Усредненная крутизна скатов селективной характеристики (S.J численно равна отношению величины 20 дБ к разности абсолютных расстроек по селективной (частотной) характеристике, соответствующих уровням 6 дБ и 20 дБ.
На вход приемника через эквивалент антенны подают сигнал от ГСС. Входной сигнал модулируют по частоте сигналом 1 кГц с индексом 0,3. Уровень сигнала устанавливают соответствующим реальной чувствительности. Приемник настраивают на максимум, контролируя сигнал по выходу низкочастотной части. Затем проводят цикл измерений в такой последовательности:
а) выключают модуляцию входного сигнала, измеряют напряжение на выходе низкочастотной части, увеличивают напряжение ГСС в 2 раза (на 6 дБ);
б) расстраивают частоту генератора в обе стороны от частоты настройки приемника;
в) фиксируют частоты fsl и f*, при которых напряжение на выходе приемника уменьшается до уровня, равного величине сигнала при точной настройке;
г) напряжение генератора увеличивают до величины, в 20 раз большей реальной чувствительности (на 26 дБ);
д) расстраивая ГСС в обе стороны от частоты настройки приемника, фиксируют частоты f*, при которых напряжение на выходе уменьшается до величины, равной величине напряжения при точной настройке.
Ширина полосы пропускания определяется как абсолютная величина разности между частотами /,и :
ПуКВ = |Zrt — fs\ | •
Усредненная крутизна скатов определяется для каждой ветви селективной кривой по формулам
= 20 (дБ/кГц),
J s2 J s\
20 =-7—г (ДБ/кГц).
J a J л
Не стоит огорчаться сложностью данной методики — нам нет необходимости проводить эти измерения самостоятельно. Они уже проведены разработчиками интегральных схем. Как мы знаем, селективность супергетеродинного приемника по соседнему каналу определяется характеристикой фильтра промежуточной частоты. Мы будем использовать для своих радиоприемников готовые пьезокерамические фильтры с нормированной кривой селективности.
Многосигнальная селективность по соседнему каналу оценивается действием на вход приемника полезного и мешающего сигналов при условии, что мешающий сигнал лежит вне полосы приема. «Какой смысл в такой оценке, — спросите вы, — если приемник обладает селективными свойствами? Он просто отфильтрует внеполосную помеху». Оказывается, что оценивать односигнальную селективность очень даже нужно, и связано это с неидеальностью элементов, используемых в тракте приемника.
Прежде всего опасность ухудшения параметров приемника кроется в смесителе. Сигнал очень сильной помехи может попасть непосредственно на вход смесителя, тогда возможно возникновение такого явления, как прямое детектирование сигнала на нелинейных элементах смесителя. Результатом прямого детектирования является разбаланс схемы смесителя и падения общей чувствительности приемника. Это явление называют «забитием» полезного сигнала сильной помехой.
Перекрестные искажения возникают вследствие воздействия мешающего сигнала, при котором несущая полезного сигнала оказывается промодулированной составляющими мешающего сигнала. Явление это также объясняется прямым детектированием мощных мешающих сигналов на нелинейных элементах высокочастотного тракта, только выражаются они в появлении гула, свиста или посторонней радиопередачи на фоне полезного сигнала. Перекрестные искажения характеризуются постоянством — они присутствуют неза
висимо от настройки радиоприемника. Для УКВ приемника появление перекрестных искажений свидетельствует о том, что он располагается очень близко к источнику мощного электромагнитного излучения либо крайне некачественно выполнен его монтаж. Вторая причина более вероятна, поэтому следите, чтобы связи между элементами в радиочастотной части были как можно короче.
Интермодуляция — особый вид помехообразования, когда появляется помеха с частотой, близкой к частоте полезного сигнала (или близкой к промежуточной частоте) за счет действия на нелинейные элементы тракта двух сильных мешающих сигналов. Интермодуляция также может проявиться в появлении посторонней радиопередачи. Но интермодуляционная помеха появляется и исчезает при перестройке, так что классифицировать ее достаточно трудно. К слову, ни одна из конструкций, описанных в этой книге, не проявила наличие перечисленных видов помех. Но если вы все же столкнетесь с неудовлетворительной работой какой-либо из схем, не спешите делать вывод о неисправности того или иного элемента — возможно, виновата помеха Надеюсь, теперь вам будет немного легче узнать истинную причину.
Хорошей иллюстрацией описанных источников помехообразования может служить следующая ситуация. Жители Петербурга, часто проезжающие на автомобилях по набережной Невы мимо телевизионной башни, с огорчением замечают, что неожиданно вблизи башни начинают «фокусничать» УКВ радиоприемники. То сигнал передачи резко пропадает, то вдруг с огромными искажениями появляются звуки посторонних радиопередач. Понять это явление несложно. Вблизи телебашни присутствует высокий уровень внеполосного излучения передающего оборудования, близкий по частотам к частоте УКВ радиовещания. Явление «забития» иллюстрируется пропаданием сигнала радиоприемника, а явление интермодуляции — появлением звуков посторонних радиопередач. Чтобы ослабить неприятные эффекты, в конструкции некоторых автомобильных приемников предусмотрен входной аттенюатор с названием «ближний при-ем/дальний прием» Ну а у кого такого переключателя нет, тем приходится терпеть, пока автомобиль не покинет зону помех, или приглушать громкость.
В заключение этого раздела коротко упомянем еще одну схему радиоприемника, называемую гетеродинной (или прямого преобразования). Гетеродинная схема — это мощная альтернатива супергетеродинному способу приема сигналов. Главная особенность ее состоит в том, что перенос спектра радиосигнала в область звуковых частот происходит непосредственно в смесителе. Затем полученная низкочастотная составляющая фильтруется от внеполосных колебаний обычным низкочастотным фильтром (ФНЧ) и поступает на выход приемника. Существенный недостаток такого вида радиоприема заключается в переносе обоих полос приема (верхней и нижней), что служит источником неприятных сюрпризов. Этот недостаток устраняется использованием так называемого синхронного метода преобразования частоты и детектирования. Суть его в следующем. В радиоприемный тракт вводится гетеродин, частота и фаза колебаний которого синхронизируется с несущей принимаемого сигнала. Боковые полосы сигнала, смешиваясь с сигналом гетеродина, образуют в смесителе продстектировапный звуковой сигнал. Самым простым методом синхронного детектирования является прямой захват частоты колебаний гетеродина колебаниями несущей и последующей автоматической синхронизацией. Метод прямого захвата хорошо оправдывает себя там, где влияние мешающих сигналов невелико, однако в условиях действия мощных помех происходит рассинхронизация и потеря слежения. В середине 1980-х годов появилась радиолюбительская конструкция синхронного приемника А. Захарова [9, 10], в которой как раз и использовался метод прямого захвата. По сути, для приема УКВ радиостанций требовался всего один (!) транзистор, несколько резисторов и конденсаторов, пара бескаркасных катушек индуктивности и батарейка напряжением 1,5 В Простота приемника настолько окрылила автора этой книги, что он немедленно, за несколько часов, на куске картона, собрал приемник А Захарова и опробовал его в работе. Конечно, стабильность работы оставляла желать лучшего, но, как известно, это плата за простоту.
Дальнейшее развитие идеи гетеродинного приема привело к разработке промышленного однокристального приемника на микросхеме КХА058. Микросхема активно продавалась на радиолюбительских рынках, разрабатывались несложные радиоприемники на ее ос
нове Не обошла эта микросборка и автора данной книги, в арсенале которого есть публикация [11], описывающая громкоговорящий УКВ приемник. Нужно сказать, что КХА058 — это уже вчерашний день гетеродинного радиовещательного приема, поскольку она не имела встроенного индикатора точной настройки, да и нестабильно работала в зарубежном FM диапазоне. Сегодня наиболее актуальной является микросхема КР174ХА34АМ, с которой мы и начнем путешествие в мир УКВ в практической части нашей книги. А сейчас давайте познакомимся с частотно-селективными цепями — основными устройствами, обеспечивающими избирательные свойства приемника
I
1.4. Немного о частотно-селективных цепях
Чтобы читателю было более понятно, каким образом обеспечивается избирательность приемника, автор счел возможным включить в книгу небольшой рассказ о частотно-селективных цепях и основах оценки их параметров. Если вас заинтересует этот вопрос более подробно, вы можете взять любой учебник радиотехники и познакомиться с этим интересным видом электрических цепей. А сейчас перейдем непосредственно к цепям.
Колебательный контур — простейшая частотно-селективная цепь, состоящая из катушки индуктивности (£Д конденсатора (Ск) и активного сопротивления Сопротивление Rk обусловлено наличием активных потерь в контуре. Откуда появляется сопротивление потерь? Поскольку контур составлен из неидеальных элементов, у катушки индуктивности обязательно имеется активное сопротивление, образованное сопротивлением провода, которым она намотана. Интересно отметить, что это сопротивление зависит от частоты тока Только постоянный ток и ток небольшой частоты проходит равномерно по всему сечению проводника. Токи радиочастоты, из-за наличия в проводнике эффекта вытеснения, называемого физиками скин-эффектом, протекают только в тонком поверхностном слое. Отсюда растут и потери
Различают последовательный и параллельный колебательные контуры В этой книге вы не встретитесь с последовательными коле-
бательными контурами Однако теория, приведенная в этом разделе, касается их в той же степени, что и параллельных.
Рис. 1.14. Одиночные частотно-селективные цепи а) — последовательного тина; б) — параллельного типа
Резонансная кривая — основная характеристика колебательного контура, показывающая зависимость амплитуды напряжения на входных контактах (Ц) от частоты приложенного к нему напряжения (Ег). На рис 1.16 показано семейство резонансных кривых. Как видно, все кривые имеют колоколообразный вид с максимумом на частоте резонанса (f0). Частота резонанса определяется по формуле Томсона:
Г 159
Если в формулу подставить Ск в пикофарадах, a Lk — в микрогенри, то результатом будет значение частоты в мегагерцах.
Нетрудно заметить, что кривая Q, при одинаковой резонансной частоте X) «плавнее», чем кривая Q3. Это означает, что контуры, ха-
/о
Рис. 1.16. Резонансные кривые колебательного контура
Рис. 1.15. К определению основных параметров колебательного контура
растеризуемые этими кривыми, имеют разную добротность. Что такое добротность, легче понять, рассматривая не частотные характеристики резонансных систем, а временные. Колебательный контур — это как бы электрический аналог колокола. Допустим, если мы ударим по хорошему колоколу, он будет долго и красиво гудеть. А вот если мы стукнем тяжелым предметом по известному Царь-колоколу, то ничего, кроме разочарования, не получим, поскольку услышим короткий и глухой звук. Отколовшийся во время неудачного охлаждения кусок нарушил высокодобротный характер колебательной системы, внес большие потери. Поэтому его и поднимать на звонницу не стали уже на земле стало ясно, что колокол погиб как колокол. Кстати, в хозяйственном магазине продавцы именно но звуку определяют, имеет ли посуда скрытые трещины.
Итак, высокодобротная система характеризуется тем, что, имея небольшие потери, долго сохраняет колебания. Низкодобротные системы с большими потерями «умолкают» гораздо быстрее. Точно так же происходит с электрическими колебаниями в резонансных контурах.
Рис. 1.17. Затухание колебаний в высокодобротном (1) и низкодобротном (2) контуре
Чтобы определить добротность контура, необходимо знать его характеристическое (волновое) сопротивление Не вдаваясь в подробности, скажем, что волновое сопротивление определяется:
-А ПОГ Г 159 /АГ
Р* 6,29/oL4 , р»~ > Р* р
J 0'*'к У''к
Если в приведенные формулы/, подставлять в мегагерцах, Lt— в микрогенри, а С, — в пикофарадах, то значение волнового сопротивления получим в килоомах.
Добротность контура определяется
Хорошо видно, что добротность — это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз волновое сопротивление контура больше сопротивления активных потерь в нем.
Проанализируем теперь процессы, происходящие в контуре, по рис. 1.15. Допустим, что частота генератора Ег много меньше резонансной частоты контура Тогда катушка Lk будет шунтировать источник, а значит, все напряжение Ег упадет на активном сопротивлении 7?г (за вычетом пренебрежимо малого падения на RK). Такая же точно ситуация наблюдается и в области частот, намного выше резонансной, только шунтировать источник там будет конденсатор Ск. Но что происходит па резонансе? А на резонансе общее сопротивление контура становится чисто активным, но его значение во много раз больше сопротивления активных потерь Rk
^=P*Q*
С учетом вышеприведенных соотношений
где Roe, — так называемое резонансное сопротивление контура.
Таким образом, делитель RJi^ будет целиком определяться сопротивлением Roe, на резонансе возникнет увеличение амплитуды напряжения UK.
Только что мы рассмотрели процесс настройки радиоприемника на нужную полосу частот. При приеме спектров радиосигналов очень важно, чтобы тракт приема пропускал без искажений определенную полосу частот и в то же время не «захватывал» чужих спектральных составляющих. Прежде чем дать определение свойств селективности контура, введем несколько понятий, облегчающих понимание этого вопроса. Тем более, что эти понятия часто встречаются и в профессиональной, и в радиолюбительской литературе.
Котебательный контур называется настроенным, если частота генератора Ег, подключенного к его контактам, совпадает с резонансной частотой контура f0. При несовпадении частот генератора и контура последний именуется расстроенным Чтобы оценить степень расстроенности контура, введено понятие расстройка.
Абсолютная расстройка — разность между частотой генератора и резонансной частотой колебательного контура:
М = |/-/о|.
где f— частота генератора.
Относительная расстройка — приведенная к резонансной частоте контура абсолютная расстройка. Удобство ее состоит в том, что относительная расстройка измеряется не в относительных единицах а в «разах».
А/ , Д/ х = — 1+— • То k fо J
При небольших абсолютных расстройках (Af<f0) удобнее пользоваться приближенной формулой для вычисления относительной расстройки:
2 А/ х =----
А
Обобщенная расстройка — величина, связывающая относи тельную расстройку и добротность контура:
Коэффициент передачи колебательного контура — отношение напряжения на элементах контура к напряжению генератора, подключенного к входным контактам контура-
Нетрудно заметить, что на резонансе к0 = 1.
Нормированный коэффициент передачи — величина, равная отношению коэффициента передачи контура при расстройке к коэффициенту передачи на резонансе
к
Для одиночного контура
Нормированная резонансная кривая — очень удобный вид представления резонансной кривой не только одиночных контуров, но также и более сложных резонансных систем. Чтобы построить нормированную резонансную кривую, по горизонтальной оси необходимо отложить обобщенную расстройку (£,), а по вертикальной оси — нормированный коэффициент передачи (у). При построении нормированной резонансной кривой удобно по вертикальной оси откладывать не «разы», а децибелы:
b£=201gy = -10lg(l+V).
Горизонтальная ось в таком случае тоже становится логарифмической, как показано на рис 1.18.
Теперь мы можем приступить к оценке селективных свойств одиночного колебательного контура
Селективность контура — характеристика ослабления сигнала генератора при заданной расстройке. Селективность численно равна обратному значению нормированного коэффициента передачи. Однако удобнее селективность выражать в децибелах.
$'Ц>Б) ~ ~У(дБ)
Для одиночного контура
SrW = 101g(l+^).
Знак «минус», как мы помним, означает, что присходит ослабление сигнала.
Ясно, что селективность параметр достаточно условный, так как его значение зависит от величины расстройки. Тем не менее мы можем уже сейчас оценить селективность по зеркальному каналу одиночного контура, имеющего следующие параметры
- частота резонанса f0 = 100 МГц; добротность Qx. = 100;
- абсолютная расстройка Af= 21 4 МГц (удвоенное значение ПЧ).
Рис. 1.18. Нормированная резонансная кривая одиночного колебательного контура
По исходным данным находим
^ = —— 100 = 42,8;
100
= 101g[l +(42,8)2] = 32 дБ.
Селективность одиночного контура по зеркальному каналу получилась вполне подходящей для УКВ радиоприемника с запасом К сожалению, в дальнейшем мы увидим, что селективность контуров, работающих в реальных схемах, меньше, а следовательно, меньше и добротность. Снижение добротности происходит потому, что контуры нагружаются другими элементами радиоприемного тракта, в частности, сопротивлениями усилительных каскадов.
Чтобы более конкретизировать селективные свойства частотно-селективных цепей, было введено понятие полосы пропускания.
Полоса пропускания — величина характеризующая ширину нормированной резонансной кривой, отсчитываемую на заданном уровне. Полоса пропускания (обратите внимание!) всегда сопровождается индексом, указывающим, на каком уровне происходит отсчет «Таких полос у контура бесконечное множество, — скажете вы, — и какую полосу принять за оценочную характеристику, непонятно». Оказывается, для достаточно подробной оценки селективных свойств нужно иметь данные всего по трем точкам: на уровне 0,7 (ослабление 3 дБ), на уровне 0,5 (6 дБ) и на уровне 0,1 (20 дБ).
Для одиночного контура
о
^п7=—’ 77O,=V3 —.
°-7 Со Со
= Ю—'
’ Со
Давайте определим значение полосы пропускания для контура данные для которого были заданы в предыдущем примере:
Л07= —= 1МГц,
°-7 100
77О 5 =1,7- —=1,7 МГц,
05 100
По, = 10- — = 10МГц.
0J 100
Рис. 1.19. К определению полосы пропускания
Коэффициент прямоугольности — характеристика формы нормированной резонансной кривой. Коэффициент прямоугольно-сти выражается отношением полосы П к полосе, отсчитанной на уровне 3 дБ-
Например, для уровня 20 дБ коэффициент прямоугольности од ного колебательного контура кп = 10.
Рис. 1.20. К определению коэффициента прямоугольности
Крутизна ската резонансной кривой — отношение разности двух уровней нормированной резонансной характеристики (у —у ), выраженных в децибелах, к разности абсолютных расстроек (в кГц), соответствующих этим уровням (А/ А/,):
(дБ/кГц).
46 -46
Даваите зададим себе вопрос каким образом должна работать идеальная частотно-селективная цепь? Ее задача — равномерно пропускать всю полосу частот, занимаемую радиосигналом, и предельно ослаблять внеполосные частоты. То есть идеальная частотно-селективная цепь обладает прямоугольной селективной характеристикой, как показано на рис. 1.22. Коэффициент прямоугольности такой цепи, естественно, равен 1, а крутизна скатов бесконечно большая.
реально такую частотно-селективную цепь не построить, более того, в теоретической радиотехнике показано, что любая реальная цепь будет обладать конечной крутизной скатов и иметь неравномерность в полосе пропускания
Рис. 1.21 К определению крутизны ската резонансной кривой
частотно-селективная цепь
Интересно оцепить одиночный колебательный контур с этих позиций. Увы, одиночный контур обладает неважным коэффициентом прямоугольности, поскольку неравномерность передаточной характеристики контура на краях полосы пропускания приводит к частотным искажениям сигнала. Чтобы сгладить неравномерность, требуется расширять полосу пропускания, а значит, снижать селективность Поэтому одиночный колебательный контур допустимо использовать в преселекторах радиовещательных УКВ приемников, но для фильтра промежуточной частоты (ФПЧ) он совершенно не подходит.
Прежде чем перейти к рассказу о частотно-селективных цепях, используемых в трактах ПЧ несколько слов о нагруженных колебательных контурах. Наверняка вы, уважаемые читатели, как любознательные радиолюбители (а именно вас автор считает таковыми, поскольку вы читаете этот раздел), не раз изучали схемы бытовой радиоаппаратуры Например, в радиоприемном тракте магнитолы «Вега-331» (см издание [12]) на входе высокочастотного блока УКВ можно увидеть каскад, приведенный на рис. 1.23 Очень похожий каскад можно встретить и во многих других моделях радиоприемников. Спросите, а не проще было бы антенну подключить к транзисто-
ру УРЧ или включить колебательный контур, как показано на рис. 1.24? Бесспорно проще, одпако в этом случае входной контур оказывается нагруженным входным сопротивлением транзистора УРЧ, соответственно резко снижается добротность контура. Для ослабления влияния нагрузки применяют неполное включение контура. Но нс думайте, что чрезмерное ослабление нагрузки —- отличное решение в данном случае. Контур не перестраивается по диапазону, соответственно его резонансная частота выбирается равной средней частоте диапазона. Здесь будет обеспечен хороший прием, а вот на краях диапазона чувствительность приемника снизится и ослабление несущей станет заметным на слух даже с хорошей антенной. Так что добротность контура нужно выбрать такой, чтобы контур, во-первых, выполнял функцию предварительной фильтрации внеполосных помех, а во-вторых, пе «гасил» края диапазона. Задача состоит в выборе коэффициента включения контура.
Рис. 1.23. Типовой входной каскад блока УКВ отечественного промышленного
радиоприемника
Рис. 1.24. Нагруженный колебательный контур
Коэффициент включения контура отношение напряжения между точками подключения нагрузки к напряжению на полном контуре. Для емкостного способа неполного включения (рис. 1.25) коэффициент включения определяется из следующего соотношения:
Р-^.
с,+с,
Рис 1.25. Пример неполного включения контура
Существует несколько видов неполного включения контура, например трансформаторный и автотрансформаторный. Эквивалентные параметры нагруженного контура связаны с конструктивными параметрами следующими соотношениями:
Q, _ 1
i + p2^
R,.
пк q/
I
где Q-,, Пэ, R„— эквивалентные параметры нагруженного контура.
Тем не менее лучшие результаты дают перестраиваемые входные фильтры, которые с помощью переменной емкости или (что реже) индуктивности настраиваются на частоту приема. Тогда есть смысл бороться за высокую добротность.
Для перестраиваемых контуров введено понятие коэффициент перекрытия диапазона, численно равного отношению максимальной частоты диапазона (fmm) к минимальной частоте В табл. 1 3 приведены коэффициенты перекрытия для отечественного и импортного (FM) диапазонов УКВ радиовещания.
Таблица 1.3
Диапазон МГц Средняя частота, МГц Коэффициент перестройки |
64—74 69 1.16
88—108 98 1,28
Коэффициент перестройки — важный параметр, так как в УКВ приемнике, построенном по супергетеродинной схеме, требуется обеспечить сопряжение настроек преселектора и гетеродина таким образом, чтобы при любом положении ручки настройки разность частоты резонанса преселектора и гетеродина была равна (или близка с допустимой погрешностью) промежуточной частоте. Как правило, для УКВ приемников, описанных в этой книге, сопряжение на
строек будет заключаться в подстройке резонансной частоты преселектора по максимуму выходного сигнала на средней частоте диапазона.
Недавно во входном каскаде преселектора стали использовать фильтры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ). Они отличаются тем, что имеют неплохую крутизну скатов за пределами диапазона при довольно равномерной характеристике в полосе пропускания. Говоря по-другому, коэффициент их прямоугольности лучше такого же параметра для одиночного колебательного контура. К сожалению, купить этот полезный элемент, при всем разнообразии предлагаемых компонентов, автору не удалось. Выпаяв фильтр ПАВ из старого радиоприемника и поставив его на вход самодельного, разницы в звучании, перестройке, помехоустойчивости выявить не удалось. Поэтому автор решил не снабжать конструкции, описанные в книге, этими фильтрами. Но если вам попадут в руки такие электронные компоненты, смело ставьте их в схему, возможно, они выручат вас в какой-нибудь необычной ситуации. А сейчас настало время поговорить о тракте ПЧ
Частотно-селективные цепи тракта ПЧ, как нам уже известно, обеспечивают селективность супергетеродинного приемника по соседнему каналу. Если диапазон, в котором идет прием, не слишком «забит» передающими станциями, то и требования к фильтрам промежуточной частоты не слишком высокие. А если диапазон «густонаселен», туг уж хочешь не хочешь необходимо иметь хороший ФПЧ, чтобы обеспечить качественный прием. Однако слишком узкополосный фильтр ПЧ может «отрезать» крайние частоты боковых полос радиосигнала и исказить звук. УКВ диапазон сегодня можно считать густонаселенным, так как в нем регулярно появляются новые радиостанции. Какова же должна быть полоса фильтра промежуточной частоты для качественного приема радиопередач в этом диапазоне?
Сегодня в России используется два диапазона УКВ волн — так называемый отечественный и зарубежный. Отечественный диапазон (условно именуемый диапазоном ЧМ) функционирует в нашей стране с 50-х годов, он хорошо известен всем, так как промышленные приемники, выпущенные в нашей стране, имеют возможность приема радиопередач только в этом диапазоне. В последние десять
лет во многих городах России появились радиостанции, вещающие в зарубежном частотном (условно называемом FM) диапазоне Принимать передачи этого диапазона поначалу могли только редкие обладатели импортных магнитол. Теперь, с распространением импортной радиоаппаратуры, оба диапазона уравнялись в правах, а в крупных городах западный стандарт вещания даже начинает лидировать. К сожалению, робкие попытки разработать массовый отечественный промышленный приемник FM диапазона пока не имеют большого успеха Будем надеяться, что вскоре ситуация изменится к лучшему Разговор о принципиальных отличиях этих диапазонов состоится у нас в разделе, посвященном стереофоническому вещанию, а пока, воспользовавшись данными табл. 1.4, прикинем, какую полосу пропускания нужно иметь фильтру промежуточной частоты, чтобы без искажений принимать передачи обоих диапазонов
Таблица 1.4
Диапазон, МГц Верхняя частота, кГц Девиация, кГц
ЧМ 64—74 15 50
FM 88—108 15 75
Поскольку девиация частоты на FM диапазоне больше, следует ожидать более широкого спектра радиосигнала. Давайте убедимся, что наше предположение верно.
Индекс модуляции ЧМ диапазона
р = —-3,3.
1 15
Индекс модуляции FM диапазона
Ширина спектра радиосигнала в диапазоне ЧМ Вчм-2 15 (1 + 3,3 + ДЗ)~180кГц.
Ширина спектра радиосигнала в диапазоне FM Вгл/ = 215-(1 + 5 + л/5) = 250кГц.
Ширина спектра «диктует» частотную сетку, то есть разнос частот радиостанций друг относительно друга. Мы видим, что в отечественном диапазоне станции могут плотнее прилегать друг к другу, чем в зарубежном. Попутно можно сделать интересный вывод, касающийся конструкции приемников, рассчитанных на двухдиапазонный вариант. Если мы желаем обеспечить высококачественный прием станций в обоих диапазонах с помощью одного и того же тракта, нам необходимо сужать полосу пропускания ФПЧ при работе в отечественном диапазоне и расширять ее на диапазоне импортном. Задача, прямо скажем, не слишком простая, однако есть и другой путь. Если выбрать компромиссный фильтр со средней частотой, следует ожидать некоторого снижения качества звука принимаемых радиопередач. Тем не менее этот путь в большинстве случаев устроит слушателя — ощутимо большой разницы между первым и вторым вариантом, как правило, не наблюдается.
Изготовление хорошего ФПЧ всегда считалось высококлассной задачей, требующей определенного опыта, пока нс появились готовые пьезокерамические фильтры с требуемыми параметрами. Тем не менее традиционные фильтры, построенные на основе колебательных контуров, все еще широко используются в технике радиоприема. Поэтому нелишне будет потратить время и сделать небольшой экскурс в теорию фильтров сосредоточенной селекции
Если одноконтурному фильтру мы успели поставить однозначный диагноз, свидетельствующий о невозможности его использования в тракте ПЧ, то возникает законный вопрос: что делать? На помощь приходят системы связанных контуров.
Связанные колебательные контуры — это система одиночных колебательных контуров, имеющих общую электрическую или магнитную связь. Основные виды связи между контурами: внешняя емкостная (рис. 1 26, а), внутренняя емкостная (рис. 1.26, б) и трансформаторная (рис. 1 26, в).
Очень важный параметр, который используется при расчетах частотных характеристик связанных систем, — это коэффициент связи.
Для рис. 1 26, а:
Рис. 1.26. Виды связи
Для рис. 1.26, б;
кев
Для рис. 1.26, в:
к К Св Y
где М— взаимная индуктивность контуров.
Наиболее часто для построения ФПЧ радиовещательных приемников использовали схему «а», поэтому рассмотрим ее подробнее. Простейший фильтр на ее основе носит название двухконтурного полосового фильтра Схематически он выглядит точно так же, но сигнал подается на отвод левой катушки, а снимается с отвода правой катушки. Отводы предусматривают для понижения степени на-груженности контуров и повышения их эквивалентной добротности. Знакомая схема? Наверняка вы встречали ее в несложных переносных супергетеродинных приемниках AM диапазона, выпущенных в начале 70-х годов. Радиолюбительские приемники, опубликованные в разное время в журнале «Радио», как правило, также оснащались двухконтурными фильтрами.
Чтобы оценить качество двухконтурного полосового фильтра, введем некоторые параметры. В этом списке мы встретим знакомые по одноконтурному фильтру названия.
Селективность двухконтурного фильтра оценивается по специально составленным таблицам и графикам, поскольку аналитические выражения для ее опенки неудобны в практическом применении. Ситуация осложнена тем, что селективность здесь зависит не только от параметров самих контуров, но также и степени связи между ними.
Сугубо ориентировочно можно считать, что двухконтурный фильтр дает выигрыш в 6 дБ относительно одиночного контура.
Параметр связи учитывает коэффициент связи контуров и их добротность Параметр связи влияет на форму частотной характеристики, коэффициент передачи и селективность:
Чсв kceQx
Если параметр связи близок к единице, эту связь называют критической. Критическая связь важна тем, что значительно упрощает расчет связанной системы
Полоса пропускания двухконтурного фильтра при критической связи оказывается на 40% шире, чем для одиночного колебательного контура. Однако не думайте, что здесь имеет место обычное снижение добротности колебательной системы. В данном случае крутизна скатов становится больше. Если связь больше критической (г]„> 1), полоса расширяется, как показано на рис. 1.27. Обратите внимание: частотная характеристика становится «двуторбой», как будто всршшгу частотной характеристики одиночного колебательного контура «промяли» пальцем. Коэффициент прямоугольное™ двухкоптурного фильтра лучше.
Оценить полосу пропускания такого фильтра (в условиях крити ческой связи) можно по следующему соотношению:
Рис. 1.27. Частотная характеристика двухкоптурного ФПЧ при различных параметрах связи
Коэффициент передачи двухконтурного фильтра за счет потерь, вносимых связью контуров, оказывается меньше аналогичного параметра одиночного контура. При критической связи коэффициент передачи оказывается в два раза меньше коэффициента передачи резонансного контура:
к = к ———
Л0 , , 2
l + n„
Затухание — параметр, оценивающий ослабление полезного сигнала в фильтре за счет потерь связи:
я =----— •
При критической связи затухание двухконтуриого фильтра составляет 6 дБ
При расчете фильтра, как уже было отмечено, обязательно нужно учитывать нагрузки и корректировать добротность. С учетом сказанного разработка даже простенького двухконтурного ФПЧ выливается в весьма непростую задачу, доступную лишь опытному радиолюбителю Теперь представьте, что для приличного приемника двухконтурного фильтра недостаточно — ему нужен по крайней мере трехконтурный, а еще лучше —- четырехконтурный. Такие фильтры называются фильтрами сосредоточенной селекции (ФСС). К примеру, в магнитоле «Ореанда-201», выпущенной в середине 80-х годов, для селекции AM диапазонов используется четырехконтурный фильтр Если же разбираться в конструкции ФСС для УКВ диапазона, то окажется, что он имеет четыре (!) каскада двухконтурных фильтров, поставленных в ряд, один за одним Чувствуете важность и ответственность этой составной части приемника
При проектировании сложных ФСС все контуры стремятся сделать одинаковыми, а конденсаторы отвечающие за связь, выбрать такими, чтобы, с учетом нагрузок, они установили критические связи. Далее наступает этап настройки Чтобы ФСС настроить на требуемую полосу, в катушках индуктивности предусматривают подстроечные сердечники Варьируя индуктивностью катушек, контуры расстраивают контролируя полосу пропускания и форму передаточной характеристики по приборам. Частотная характеристика приоб
ретает трехгорбый характер (у трехконтурного ФСС) или четырсх-горбый (у четырехконтурного).
Для ФСС вводят следующие основные параметры:
• номинальная частота настройки (равна промежуточной частоте);
• селективность но побочному каналу,
• ширина полосы пропускания;
• вносимое затухание;
• неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
Из этого ряда практически все параметры нам знакомы. Добавлю, что для трехконтурного фильтра затухание составляет 9,5 дБ, а для четырехконтурного — 14 дБ. Эти цифры приведены для случая критической связи.
Ну что, приуныли, несмотря на все мои заверения? Не унывайте! Если бы сборка супергетеродинного УКВ приемника превращалась бы в долгое и кропотливое занятие, автор едва ли взялся за книгу по этой теме, адресованную широкому кругу радиолюбителей. К счастью, техника наших дней заключила сложный ФСС со множеством настроек и изрядным куском теоретических знаний в «черный ящик», не забыв указать его параметры.
Вот мы и подошли к описанию пьезокерамических фильтров, которые представляют собой маленькие квадратики с тремя выводами, один из которых вход, второй -— выход, третий — «общий». Снаружи все точно так же, как и для случая классического ФСС! Однако пьезокерамические фильтры сегодня пользуются огромной популярностью у разработчиков массовой аппаратуры, поскольку они малогабаритны, не требуют настройки, технологичны, хорошо сохраняют свои селективные свойства на протяжении времени, недороги.
В мире существует достаточно много фирм, производящих «пьезокерамику», их продукция близка по параметрам, номенклатуре и качеству. Поэтому автор решил не останавливаться на обзоре рынка этих изделий, а привести характерный пример, представленный на отечественном рынке.
Фирма «Murata» — один из мировых лидеров по производству пьезокерамических фильтров. Для радиоприемников FM и ЧМ диапазонов выпускаются следующие виды фильтров промежуточной частоты, приведенные в табл 1.5.
Таблица 1 5
Тип ФПЧ По.7, кГц П01, кГц Затухание дБ Подавление побочного канала, дБ
SFE10 7MA5-A 280 650 4—6 30-43
SFE10.7MS2-A 230 600 4—6 40—45
SFE10.7MS3-A 180 520 4,5—7 40—45
SFE10.7MJA10-A 150 360 4.5 ±2,0 35—44
Нелишне напомнить: параметр, свидетельствующий о степени подавления побочного канала, говорит о том, что внеполосные частоты тоже могут проходить сквозь пьезокерамический фильтр, их ослабление гарантируется в приведенных пределах. Это еще лучше видно из частотных характеристик, приведенных на рис. 1.28, а.
Конструктивные размеры фильтра серии МА5 показаны па рис. 1.28, б. Фильтры других серий имеют аналогичные размеры.
Нелишне также запомнить, что пьезокерамический фильтр должен быть согласован с нагрузками. Разработчики рекомендуют в качестве нагрузки с обеих сторон сопротивления не более 330 Ом.
Вот, пожалуй, и все начальные сведения, которые хотелось привести в разделе о частотно-селективных цепях. Существует целый класс цепей, рассчитанных на использование в трактах НЧ. Эти цепи называются фильтрами низкой частоты, и о них мы поговорим тогда, когда вы приступите к изготовлению приемников. А сейчас — о стереофоническом вещании на УКВ.
1.5. Стереофоническое радиовещание
В этом разделе у пас состоится обстоятельный разговор о принципах стереофонического вещания на УКВ, его особенностях, возможностях и ограничениях. Пожалуй, в наши дни УКВ радиовещательный прием получил доселе невиданную популярность. Давайте вспомним, что было раньше, и сравним с тем, что имеется сейчас. В прежние годы на УКВ в крупных городах вешали две-три радиостанции: традиционный всесоюзный «Маяк», центральное и местное радио. На дачах обычно слушали передачи на средних и длинных волнах. Еще один образ, прочно вошедший даже в художественную
SFE10.7MA5-A
SFE10.7MS2-A
8,7 9,7 10.7 11,7 12,7
Частота, МГц
а)
(3) (2) (1) б)
Рис. 1.28. a — частотные характеристики фильтров промежуточной частоты фирмы «Murata»; б — Конструктивные параметры фильтра SFE10.7МА-5
литературу, — человек, крутящий ночью ручку настройки коротковолнового приемника в надежде услышать сквозь рев «глушилок» слова «голосов». К счастью, эти ночные времена ушли в прошлое. Сегодня некоторые наиболее известные «голоса» ретранслируются местными средневолновыми и длинноволновыми радиопередатчиками, желающие могут просто настроиться на волну и не напрягаясь слушать. Надо сказать, что снятие запретов не увеличило, а резко уменьшило количество их слушателей. В основном сегодня популярны музыкально-информационные радиостанции УКВ диапазона. Например, присмотритесь к кабине профессионального шофера, крутящего баранку изо дня в день, и вы обязательно увидите (и услышите) магнитолу, настроенную на музыкальную УКВ радиостанцию. Музыка, чередующаяся со сводками новостей, конкурсами, поздравлениями, шутками ди-джеев, вносит разнообразие в монотонный рабочий ритм, успокаивает нервы. Обратите внимание на сотрудников предприятий, слушающих передачи УКВ диапазона в обеденный перерыв, и не только. Даже продавцы еды привлекают проголодавшихся покупателей музыкой магнитол выставленных на улицу. На УКВ диапазоне есть музыка на все вкусы — от ретро до техно Очень популярен этот диапазон у молодежи, ведь редкая радиостанция не предоставляет возможность позвонить в «прямой эфир» и заказать песню в день рождения любимой девушки или свадьбы друга, или просто передать привет знакомым. Идея интерактивного вещания, о которой давно говорят журналисты электронных СМИ потихоньку начинает реализовываться.
Что же привлекает работников радиовещания и слушателей в УКВ диапазоне? Прочитав предыдущие разделы этой книги, мы уже можем назвать причины. Во-первых, на УКВ очень мало помех, во-вторых, имеется возможность передавать весь спектр частот, слышимых человеческим ухом, а не только заботиться о разборчивости речи. Но самая главная и, пожалуй, решающая причина в том, что имеется возможность вещания в стереофоническом режиме Кстати, стереофоническое вещание предлагалось ввести и на AM диапазонах но от этой идеи отказались, так как ощутимого прироста качества звука такое новшество не дало бы. На УКВ же, при правильной настройке стереофонического радиоприемного тракта, возможно получить качество звука, сравнимое с качеством звуковоспроизведения
кассетного магнитофона высокого класса. Важно также отметить, что УКВ радиовещание сегодня стало отраслью бизнеса. Радиостанции существуют за счет рекламы, которую они периодически озвучивают, а значит, сотрудники станций призваны улучшать качество и разнообразие транслируемых передач, расширять музыкальный архив, завоевывать слушателей. Интересно отметить, что хороший УКВ приемник позволяет узнавать даже характерный тембр, прису щий той или иной радиостанции.
Мы уже немного говорили о том, что в нашей стране вещание на УКВ ведется в двух частотных диапазонах. Если нас вполне устраивает монофонический вариант звучания, то мы можем использовать приемник, рассчитанный на прием в одном диапазоне, для прослушивания передач в другом, перестроив его преселектор и гетеродин. Однако не все так просто со стереофонической перестройкой. Чтобы звук приемника стал стереофоническим, в тракт радиоприема необходимо ввести устройство, называемое стереодекодером. Стереодекодер выделяет из сигнала радиостанции, работающей в режиме стс-реопередачи, сигналы правого и левого каналов, а также сигнализи рует о том, что передача идет в стереорежиме.
Автор этой книги «заболел» стереофоническим приемом еще в школьные годы, в конце 80-х, когда отечественная стереоаппаратура «кусалась» по цене, а радиостанции FM диапазона еще не вещали В распоряжении имелся только старенький монофонический приемник, однако чудо стереозвука манило неизведанностью и заставляло придумывать способы принять его. Классические схемы отечественных стереодекодеров, разработанных для промышленной аппаратуры и публикуемых в журнале «Радио», состояли из множества дис кретных элементов. Все схемы требовали точной и кропотливой настройки для получения более-менее приличного звучания. Повторив промышленную схему, описанную в книге [12], автор несколько дней настраивал ее па слух, с помощью отвертки, но качественного звучания так и не добился Впрочем, позже все прояснилось — традиционные схемы стереодекодеров невозможно настроить без применения специального оборудования. К счастью, как раз в тот момент в радиомагазинах появился радиолюбительский набор «Фон-7», в состав которого входила настроенная плата стереодекодера, спро ектированного на основе первой отечественной микросхемы стерео
фонических трактов нового поколения — К174ХА14. В составе типовой схемы включения этой микросхемы нет ни одного (!) индуктивного элемента, а настройка стереорежима производится поворотом всего одного подстроечного резистора. И хотя для обеспечения работы микросхемы необходимо довольно значительное количество навесных элементов, а переход в режим «стерео» сопровождается неприятным щелчком в громкоговорителях, даже этот стереодекодер нового поколения сразу же после подключения позволяет почувствовать новый объемный звук стереофонической передачи. Спустя некоторое время отечественная промышленность начала серийный выпуск более удачного стереодекодера — К174ХА35. Совсем недавно на отечественном рынке появилась комбинированная микросхема КР174ХА51, представляющая собой универсальный стереодекодер. Поскольку отечественных микросхем, предназначенных для декодирования стереосигнала, не так много, автор счел нужным в практической части книги привести схемы их включения с рекомендациями по сборке.
К появлению в начале 90-х годов вещания на FM диапазоне наша страна оказалась неподготовленной. Импортная аппаратура была тогда еще дорогой и малораспространенной, отечественная не имела возможности принимать передачи этого диапазона. И пока остальные граждане искали возможность приобрести соответствующие радиоприемники, радиолюбители нашли оригинальный выход, на время сгладивший остроту проблемы Были разработаны простые конверторы, «перебрасывающие» FM диапазон на частоты ЧМ диапазона. Конвертор подключался к антенному гнезду приемника или прикреплялся к его приемной антенне. Тогда же выявились недостатки такого метода — прием передач зарубежного диапазона происходил в монофоническом режиме, даже если приемник был оснащен стереодекодером. Причина проста отечественная и зарубежная системы радиовещания построены по разным стандартам и несовместимы. Отечественная система декодирует стереофонический сигнал с полярной модуляцией, а зарубежная с пилот-то-ном Соответственно для обработки необходимы разные схемы сте-Реодекодсров. Вот такая неприятная ситуация, чем-то напоминающая историю недавнего прошлого, когда отечественные телевизоры приходилось оснащать декодерами ПАЛ, чтобы смотреть видеозапи
си импортных видеомагнитофонов в цветном изображении. Учитывая это обстоятельство, все импортные телевизоры стали мультисн-стемными. С мультисистемностыо стереовещания ситуация иная — система с полярной модуляцией практически не имеет распространения в мире, в то время как система с пилот-тоном широко распространена Соответственно элементная база, разработанная для приема по этой системе, разнообразна и выпускается многими фирмами. Однако совсем недавно на отечественном рынке появилась импортная аппаратура с возможностью стереоприсма в двух стандартах — так ведущие зарубежные фирмы прореагировали на возможности гигантского сбыта своей продукции в России. Увы, пока отечественная промышленность оживает, место сбыта ее продукции занимают иностранцы ... На одной из радиолюбительских конференций, имеющихся в Интернете, недавно довелось прочитать интересную реплику, отрывок из которой приведу.
«Российские заводы пока не в состоянии наполнить рынок конкурентоспособными УКВ радиоприемниками. Те, что имеются у населения, с естественным износом, постепенно, сокращают эффективность УКВ радиовещания. Жаль. Хороший диапазон, высокорентабельный, исторически привычный для российского слушателя Ну приобрели бы наши производители лицензию у фирмы SONY на великолепный тюнер ST215, поддерживающий оба стандарта стереовещания и уже устаревший по японским меркам, сделали бы на его базе всеволновые радиоприемники! В конце 1998 года одна московская маркетинговая фирма провела исследование и определила параметры российского радиоприемника массового спроса. Затем был проведен конкурс разработок и в апреле 1999 года был определен победитель. Есть работающий макет, дело за внедрением. Увы, пока ни один завод не изъявил желания взяться за его производство. Все ждут финансирования. В России его можно ждать веками. Что, у нас бизнесмены перевелись? Неужели никто не хочет на этом заработать?»
Главный недостаток отечественного УКВ диапазона, с которым соглашаются практически все специалисты в области радиовеща ния, — малая частотная протяженность. Дело в том, что в 50-е годы XX века, когда принималось решение о развитии сети УКВ вещания у пас в стране, была запланирована на глубокую перспективу работа
Основные принципы УКВ радиовещания
максимум четырех программ центрального и 4—5 местных радиостанций, располагающихся в крупных городах. «Счшалось, что советскому человеку больше не понадобится даже при коммунизме», — остроумно замечает автор статьи [28] Об освоении участка УКВ диапазона, простирающегося от 100 до 108 МГц, речи тогда вообще не шло Интересно отметить, только в 1978 году этот частотный диапазон зарезервировали высококачественное музыкально-развлекательное радиовещание, но реально первые радиостанции появились в этих «краях» только в 1991 году. Участок диапазона 88—100 МГц вообще не входил в планы освоения радиовещателями, так как эти частоты попадают в полосу 4-го и 5-го каналов телевидения. Впрочем, проведенные сегодня исследования показали, что аккуратная (беспомеховая) работа радиостанции в этом участке возможна, а потому здесь активно развивается вещание. «В бывшем СССР стереофоническое вещание более двадцати дет оставалось в зачаточном состоянии Доля выпускавшихся приемников и магнитол со стереодекодерами даже в 80-е годы не превышала 15—20% от всей продукции такого рода Стереофонические передачи составляли не более 50% от общего объема вещания, а количество городов, где к моменту распада СССР были установлены стереопередатчики, не превосходило 150», — пишет автор [28
Споры о том, эксплуатировать ли в дальнейшем диапазон 66—74 МГц, или отказаться от него, перейдя к вещанию только на частотах 88—108 МГц, разгораются сегодня все острее. На взтляд автора, строящийся в основном с обывательских позиций слушателя, отказываться от отечественного диапазона нельзя. Более того, недавний опыт бездумного крушения экономики страны говорит о том, что возрождение утраченного сопряжено с большими материальными затратами, сравнимыми с первоначальным освоением.
Как обстоит дело с вещанием в «нижнем» УКВ диапазоне в странах, которые развивали сеть своего вещания с помощью Советского Союза? Чехия и Венгрия решились на полный отказ от «нижнего» УКВ но здесь, по всей видимости, сказались скорее политические причины, желание расстаться с «наследием недавнего прошлого», нежели научно-технические доводы. Такой же процесс идет в Словакии и Латвии. В Словакии в диапазоне 66—74 МГц осталось только Две юсударственных станции, а в Риге, кроме государственных ра-
диопрограмм, лишь одна частная радиостанция решилась вещать в «нижнем» диапазоне УКВ. В Польше и Эстонии оба диапазона используют с максимальной выгодой и, по некоторым сведениям, продолжают активно развивать их, не делая исключений. В Румынии, Литве и странах СНГ ситуация аналогичная. Если исключить из поля зрения политические доводы, какой аргумент в пользу эксплуатации обоих диапазонов на равных правах окажется наиболее весомым? Мы уже знаем, что радиус уверенного приема сокращается с повышением частоты передачи. Следующий факт поможет нам убедиться в справедливости сказанного. В Ленинградский области, к примеру, в районе поселка Толмачево (около 120 км от Санкт-Петербурга) ни одну радиостанцию, вещающую в «верхнем» диапазоне, невозможно принимать, в то время как многие радиостанции «нижнего» диапазона уверенно принимаются в монорежиме на телескопическую аптен ну. Расчеты показывают, что вещание в зарубежном частотном диапазоне сокращает территорию.охвата почти в 2 раза. Отказ от отечественного диапазона лишит большие территории между крупными городами России программ УКВ радиостанций. Корректно ли такое отношение к слушателю?
Но вернемся к проблемам научно-техническим. Как реализовать стереофоническую передачу так, чтобы возможно было принимать сигналы обоих каналов звука одновременно? К примеру, можно передавать сигналы правого и левого каналов двумя передатчиками, частоты которых расположены рядом. Увы, эта идея принадлежит к разряду крайне нерациональных, так как, во-первых, вдвойне увеличивает расходы на постройку и эксплуатацию радиовещательного оборудования, а во-вторых, требует, чтобы в состав радиоприемника были введены два отдельных ВЧ тракта, две ручки настройки на требуемую частоту. При совмещении настроек в приемнике возникает другая неприятность: если станция ведет передачи в монофоническом режиме, это значит, что в одном из каналов стереоприемника будет присутствовать либо шум эфира (характерное шипение), либо сигнал какой-то другой (соседней) радиостанции. Более того, обладатели монофонических приемников смогут принимать сигналы только одного из каналов, что приводит к неестественному звучанию передачи. В общем, возникает масса излишних технических трудностей.
Разработчики стереофонической системы радиовещания пе стали вводить второй (дополнительный капал) приема, а решили обойтись одним, но несколько усложнили модулирующий сигнал. Оказалось что гораздо удобнее передавать одновременно сумму левого и правого канала (А + В), а также их разность (А - В). Причем передавать эти сигналы таким образом, чтобы обычные монофонические приемники воспринимали только суммарный сигнал, а стереофонические — оба сигнала. Стереодекодер стереофонического приемника соответствующим образом должен отделить один сигнал от другого, перекодировать их и выдать сигналы каналов на разные выходы. Таким образом, совместимость монофонической и стереофонической систем вещания обеспечивается автоматически.
У читателя наверняка уже возник следующий вопрос: «При одновременной передаче суммарного и разностного сигнала их спектры должны смешиваться, что приведет к искажению выходного сигнала. Почему же этого не происходит?» Все дело в том, что в области частот, слышимых человеческим ухом (так называемой тональной части), передается только суммарный сигнал. Разностный сигнал переносится в область спектра, которая лежит выше звукового диапазона частот (в надтональную часть). Операция переноса спектра в надтональную часть выполняется с помощью амплитудной модуляции поднесущей частоты, которая лежит в надтональной части.
Теперь вспомним раздел, в котором рассказывалось об амплитудной модуляции Как мы уже знаем, AM сигнал содержит боковые полосы, каждая из которых занимает частотную полосу, равную ширине спектра модулирующего сигнала. Исходя из этого обстоятельства, выбирается частота поднесущей: во-первых, нижняя боковая полоса модулированного колебания не должна попадать в спектр тональной части, и, во-вторых, она не должна значительно расширять спектр, излучаемый передающей радиостанцией. На рис 1.29 представлен спектр сигнала стереофонической передачи. Чуть позже мы вернемся к этому вопросу более подробно, а сейчас познакомимся со способами формирования сигнала стереофонической передачи.
Рассмотрим сначала отечественную систему с полярной модуляцией и разберемся, каким образом формируется модулирующий сигнал. Поможет нам в этом структурная схема стереокодера, изображенная на рис. 1.30.
Рис. 1.30. Схема формирования КСС для системы с полярной модуляцией
Получить суммарный сигнал левого и правого канала (А + В) позволяет усилитель-сумматор, изображенный на рис. 1.30 условным квадратиком А1. Разностный сигнал (А - В) присутствует на выходе блока А2 Этим сигналом модулируется сигнал поднесущей частоты вырабатываемый генератором G1. В отечественной системе стерео кодирования частота этого генератора равна 31250 Гц. Модулированная поднесущая далее суммируется с сигналом (А + В) в сумматоре АЗ, проходит через режекторный фильтр U2, настроенный на частоту поднесущей. Сигнал, полученный на выходе режекторного фильтра, называется комплексным стереосигналом (КСС). Именно КСС используется для модуляции несущей УКВ диапазона. Чуть
позже нам станет ясно, с какой целью в тракт введен фильтр. Пока же стоит обратить внимание на сигнал, получаемый на выходе блока АЗ Этот сигнал носит название полярно-модулированного колебания (ПМК). Замечательное свойство ПМК состоит в том, что огибающая его положительных полупсриодов является сигналом стереоканала А, огибающая отрицательных — стереоканала В.
Рис. 1.31. Полярно-модулированное колебание
Только что мы достаточно подробно разобрали, как аппаратно формируется ПМК, теперь разберемся, какие преобразования происходят с сигнальными составляющими. Пока для простоты будем считать, что ПМК формируется из монофонического сигнала, который, вдобавок ко всему, медленно изменяется во времени. Монофонический сигнал одновременно поступает на оба входа стереокодера. Нетрудно заметить, что на выходе блока А2 разностный сигнал будет отсутствовать, а на выходе U2 сформируется поднесущая с постоянной амплитудой. Просуммировав ее с тональной частью (А + А), па выходе блока АЗ получим ПМК, изображенное на рис. 1.32.
Видно, что низкочастотный звуковой сигнал «раскачивает» поднесущую относительно горизонтальной оси t. Относительно оси t мы получили в чистом виде сигнал канала А, однако эта ось сдвинута относительно оси t на постоянную составляющую (70-
Теперь усложним задачу, введя для каналов А и В разные сигналы Колебание, полученное на выходе модулятора U1 посредством модуляции сигнала поднесущей разностной составляющей (А В), будет выглядеть так, как показано на рис. 1.33.
Рис. 1.32. Полярно-модулированное колебание, образованное монофоническим сигналом
Рис. 1.33. Сигнал поднесущей, модулированный разностным сигналом
Далее необходимо наложить на этот сигнал суммарную составляющую (А + В). Для наглядности наложение удобно представить так: ось под действием суммарной составляющей как бы изогнется, повторяя в точности ее «рельеф», что показано на рис. 1.34
Простая арифметика иллюстрирует этот процесс очень доходчиво ^(А+В) + (А-В) = 2А
Нас не должно смущать удвоение по амплитуде сигнала канала А, поскольку нелинейных искажений такое преобразование не вно-
Рис. 1.34. Формирование полярно-модулированного колебания для канала А
сит. Отсекая постоянную составляющую Uo, что обычно делается с помощью разделительного конденсатора, мы после детектирования получаем сигнал канала А.
Теперь давайте посмотрим, как происходит формирование огибающей канала В, для чего взглянем на рис. 1.35. Разностный модулированный сигнал (А В) в данном случае будет не суммироваться, а вычитаться из суммарного сигнала (А + В):
^(А+В)-(А~В) = 2В.
Рис. 1.35. Формирование ПМК для канала В
Мы убедились, что полярно-модулированное колебание имеет в области положительных амплитуд огибающую канала А, а в области отрицательных — канала В.
Но подавать этот сигнал непосредственно на вход ВЧ модулятора нельзя. Вообще-то подать, конечно, можно, но оказывается, что если ПМК использовать для модуляции в том виде, в котором оно формируется на выходе блока АЗ, то на передачу одной только поднесущей (что легко проверить в случае, если не подавать на вход стереодекодера никаких сигналов) потребуется израсходовать около 55% максимальной девиации частоты. Это приведет к уменьшению громкости прослушивания стереофонической передачи в 2,24 раза (на 7 дБ) по сравнению с монофонической. Конечно, уменьшение громкости — понятие относительное, и подобная ситуация будет незаметна, если все радиостанции начнут вещать в режиме непосредственного использования ПМК Однако в большинстве городов России эксплуатируются разные типы вещательных станций, поэтому скачки громкости более чем в 2 раза при перестройке окажутся весьма неприятными для восприятия слушателями. Более того, расточать технические ресурсы неразумно Поэтому в схемы стереокодеров ввели режекторный фильтр U2 со стандартизованной добротностью Q - 100±5, который ослабляет поднесущую в 5 раз (на 14 дБ). При подавлении несущей девиация се составит 20% (10 кГц) от полной девиации, а не полезную информацию останется 80% (40 кГц), громкость при приеме по сравнению с монофонической станцией уменьшается в 1,26 раза (на 2 дБ), что практически незаметно на слух. «Но если подавление несущей дает такой выигрыш, почему бы не подавить ее полностью, а излучать только боковые полосы?» — спросит читатель. Можно поступить и так, однако мы забегаем несколько вперед с этим вопросом.
При формировании КСС из ПМК в полосу режекцни контура однозначно попадают также нижние частоты боковых полос надтональной части, как показано на рис. 1.36 В результате спектр надто-налыюй части несколько искажается. Обращая внимание читателей на это обстоятельство, следует сказать, что при изготовлении или ремонте стереофонической радиоприемной аппаратуры нужно внимательно относиться к рекомендациям, касающимся восстановления нормальной работы стереодекодеров с полярной модуляцией В та-
ких стерсодекодерах ПМК (или его надтональная часть) должно быть восстановлено как можно более точно, иначе последует ухудшение разделения стереоканалов на низких частотах. Обратившись к нашей простой арифметике, проанализируем этот факт:
Х(А+В)+(А-В') = 2А+(В-В').
Очевидно, что появление в канале А составлющей канала В, которая «подметалась» на этапе декодирования сигнала, ухудшит разделение каналов на выходе приемника. Впрочем, о разделении каналов мы поговорим в практической части. А сейчас рассмотрим схемы классических стереодекодеров по системе с полярной модуляцией.
Стереодекодер с полярным детектором
Самым простым декодером, разработанным еще на заре отечественного стереофонического вещания, является схема, изображенная на рис. 1.37. Блок А1 предназначен для восстановления ПМК из КСС. Контур LC1 имеет добротность, близкую к 100. Вместе с резисторами R1 и R2 он образует частотнозависимый делитель, который поднимает уровень поднесущей в 5 раз (на 14 дБ). Далее сигнал усиливается в блоке А2 и поступает на полярный детектор АЗ Положительные полуволны ПМК проходят через диод VD1, отрицательные— через диод VD2. Таким простым методом происходит отделение канальных составляющих. Элементы R3C2 и R4C3 — цепи компенсации предыскажений Для чего они нужны? Дело в том, что если сигналы правого и левого стереоканалов, студийно обработанные для нормального восприятия слухом (все частоты звучат примерно равномерно по громкости), подавать непосредственно на сте
реодекодер, то окажется, что основная спектральная мощность сигнала будет сосредоточена в области низких частот.
Человеческое ухо — своего рода акустическая антенна. А из теории антенной техники известно, что, чем ближе размеры антенны к длине волны, принимаемой ею, тем эффективнее осуществляется прием. К слову, ультразвук человеческое ухо также не слышит, хотя длина волны ультразвука меньше длин волн, воспринимаемых человеком. Связано это с инерционностью нашего слухового аппарата, который можно считать широкополосным фильтром. Вообще вопросами качества звука занимается электроакустика, которая заслуживает отдельной радиолюбительской книги.
А1 А2 АЗ
Рис. 1.37. Структурная схема стереодекодера с полярным детектором
Совсем другая картина в области высоких звуковых частот. «Вес» их в модулирующем сигнале невелик, поэтому они больше забиваются шумовыми помехами в радиопередающем и радиоприемном тракте. Чтобы выровнять спектр сигнала, подаваемого на ВЧ модулятор, сигналы левого и правого каналов до подачи на стереодекодер пропускают через фильтр высокой частоты (ФВЧ) первого порядка, проще говоря, через обычную дифференцирующую RC цепочку с постоянной времени т = 50 мкс. Отсюда следует, что после восстановления сигнала в стереодекодере на его выходе необходимо осуществить обратную операцию — пропустить сигнал через ФНЧ с такой же постоянной времени. Поэтому на выходе любого стереодекодера можно увидеть либо простую интегрирующую RC цепь, либо активный ФНЧ первого порядка. В принципе, если предыскажения не компенсировать, ничего страшного не произойдет. Однако вы сами останетесь недовольны работой своего приемника: его звук окажется слишком «звенящим», лишенным «басов» и из-за этого не
сколько раздражающим слух. При изготовлении одной из конструкций, описанных в книге, я советую вам провести такой эксперимент: на время выпаять цепь компенсации предыскажений и убедиться в справедливости сказанного. Следует также отметить, что в некоторых странах постоянная времени предыскажений отличается от отечественной и составляет 75 мкс. В высококачественных приемниках после стереодекодера обычно предусматривается активный фильтр 2 — 4-го порядка, выполняемый на операционных усилителях или на специализированных микросхемах. Частота среза этого фильтра должна быть не менее 15 кГц. Данный фильтр служит совершенно для другой цели — он дополнительно подавляет надтональную часть ПМК что особенно важно для звукозаписывающей техники. Поскольку тракты магнитофонов обладают нелинейностью, вполне возможно образование комбинационных частот между поднесущей и сигналом магнитофонного ГСП, попадающих в звуковую область. Образуется своего рода смеситель, поэтому, чем лучше удастся «задавить» продукты надтональной части, тем лучше. О фильтрах у нас будет отдельный разговор.
Недостатки схемы стереодекодера с полярным детектированием заключаются в повышенных искажениях сигналов А и В, поскольку их вносит малопригодный для высококачественного детектирования однополупериодный амплитудный детектор. Классическая схема полярного декодера, как мы убедились, проста и бесхитростна, но сегодня она стала достоянием истории радиотехники. Едва ли вы встретите ее в более-менее современной аппаратуре. И все же... И все же неслучайно говорят, что новое — это хорошо забытое старое. Современные стереодекодеры, выполненные в интегральном исполнении, работают по принципу полярного детектирования, конечно значительно модернизированному и улучшенному.
Логическим продолжением классических полярных декодеров стереосигнала стали суммарно-разностные стереодекодеры, разработанные на базе дискретных элементов, схемотехнически усложненные, но обеспечивающие более качественное декодирование. Эти стереодекодеры еще долго будут эксплуатироваться в составе отечественной аппаратуры. Вы наверняка встретитесь (если уже не встретились) с их типовыми схемами при ремонте бытовой аудиотехники, выпущенной в 80-х — начале 90-х годов. Типовые суммарно-разно
стные декодеры (например, СД-А-7) подробно описаны в ремонтной литературе [12], и при необходимости наити их схемы можно без труда. Как правило, отечественная техника снабжалась очень неплохими принципиальными схемами, служащими сегодня отличным подспорьем мастеру. В этом разделе коснемся только принципа работы и общего устройства.
Рис. 1.38. Структурная схема суммарно-разностного стсреодекодера
Входной КСС усиливается предварительным усилителем А1, далее происходит разделение сигнала на тональную и надтональную составляющие. Фильтр низкой частоты (ФНЧ) U1 выделяет тональную часть КСС (А + В). Схема восстановления поднесущей U2 выделяет надтональную часть (А - В). Этот блок, по сути, является контуром с эквивалентной добротностью 100. Получить такую высокую добротность, применяя простую катушку с сердечником, очень трудно. Поэтому разработчики стереодекодера использовали умножитель добротности на транзисторе с регулируемой степенью обратной связи. Надо сказать, что умножитель добротности капризен в настройке, поэтому изготавливать такой декодер — занятие не слишком увлекательное. Да и ремонтировать его надо аккуратно, чтобы не нарушить устойчивости умножителя
При появлении сигнала поднесущей зажигается светодиод «стерео» в блоке АЗ, что свидетельствует о приеме стереопередачи Вос
становления поднесущая детектируется в диодном детекторе, построенном по мостовой схеме, поканально суммируясь с тональной частью. Цепи компенсации предыскажений в блоке А2 пояснения не требуют Можно заметить, что принцип работы этого декодера «с точностью до наоборот» повторяет принцип стереокодера, описанного ранее.
Современные стереодскодсры изготавливаемые в интегральном исполнении, чаще всего используют принцип временного разделения каналов. Структурная схема этого стереодекодера представлена на рис. 1.39
Рис. 1.39. Стереодекодер с временным р (делением каналов
Особенность схемы состоит в том что в состав стереодекодера вводится схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) главным элементом которой является генератор, управляемый напряжением (ГУН). Схему ФАПЧ мы рассмотрим подробно позже а в данном случае опа обозначена укрупненным квадратиком U1 Частота генератора ГУН синхронизируется с точностью до фазы с частотой поднесущей Восстановление ПМК осуществляется в блоке U2 ГУН Управляем ключами Кл 1 и Кл2 таким образом что во время положительных потупериодов поднесущей открыт ключ Кл1, а во время отрицательных — Кл2 Предыскажения компенсируются в блоке А2 Обратите внимание эта схема сильно напоминает стереодекодер с Полярным детектором Однако в данном случае роль диодов выполняют высоколинейные ключи синхронизированные сигналом подпе сУШей Поэтому такой декодер можно назвать стереодекодером с синхронным полярным детектором
Существуют и другие заслуживающие внимания разработки, например кольцевая схема [9], схема с коррекцией частотных предыскажений [16] и некоторые другие, разработанные радиолюбителями. Автором были опробованы почти все нетрадиционные схемы, опубликованные в журнале «Радио». Авторский опыт изготовления и настройки показал, что все эти схемы интересны в основном с теоретической точки зрения и для качественного стереоприема совершенно не подходят. Тем не менее очень может быть, что на их основе кто-то разработает и высококачественную схему, внесет необходимые дополнения.
Вот, пожалуй, все основные теоретические сведения, которые необходимы для знакомства с отечественной системой стереовещания. Рассмотрим теперь западный стандарт, разработанный фирмами Zenith Radio и Дженерал электрик, который называется системой стереовещания с пилот-тоном. Вначале есть смысл рассмотреть способ формирования кодированного стереосигнала. Структурная схема стерсодекодера, работающего в этой системе, приведена на рис. 1.40. В ней имеются уже знакомые нам узлы, однако есть и принципиальные отличия.
Рис. 1.40. Структурная схема стереокодера для системы с пилот-тоном
Сигналы каналов А и В, предварительно обработанные ФВЧ с т = = 50 мкс, подаются на блоки А! и А2, где формируются суммарная (А + В) и разностная (А - В) составляющие комплексного стереосигнала (КСС). Поднесущую частоту формирует генератор G1 с частотой 19 кГц. Затем поднесущая удваивается в умножителе частоты U2 и модулируется по амплитуде разностным сигналом в модуляторе U1. Особенностью данного модулятора является формирование так называемого DSB сигнала. DSB сигнал — это разновидность AM сигнала, которая характеризуется отсутствием на выходе модулятора несущей при нулевом значении сигнала на его входе Временная диаграмма DSB сигнала показана на рис 141.
В данном случае модуляция осуществляется гармоническим (синусоидальным) сигналом, чтобы читателю было легче понять особенности DSB модуляции. Обратите внимание на форму поднесущей в окрестности точки А при переходе управляющего сигнала через ноль фаза поднесущей меняется на 180 градусов, модулированное колебание как бы «выворачивается» относительно нулевой оси. К слову, такое колебание энергетически более выгодно, чем обычное AM колебание. Если сравнивать AM колебание, обладающее коэффициентом модуляции, равным 1 (внешне оно похоже на DSB колебание, однако в нем не происходит перемены фазы), с DSB колебали-
ем, то окажется, что на передачу AM нужно затратить мощность большую на 66%. Есть у DSB модуляции и недостаток — невозможность детектировать классическим амплитудным детектором. В самом деле, если в рис. 1.41 мысленно отсечь отрицательные полуволны, мы получим искаженный (несинусоидальный) сигнал на выходе детектора, имеющий мало общего с исходным сигналом
Спектр DSB колебания содержит только боковые полосы, как показано на рис. 1,42, а несущая на частоте fnojlll отсутствует.
Другое название DSB сигнала — баланеномодулированное колебание. Именуют его так потому, что для формирования этого сигнала нужно использовать специальную схему балансного модулятора. Для детектирования балансномодулированного колебания обычно используют синхронные детекторы. О синхронном детектировании в приложении к стереофоническому вещанию мы еще поговорим
Чтобы обеспечить правильное декодирование стереосигнала, в КСС вводят дополнительный пилот-сигнал с частотой 19 кГц. Пилот-сигнал представляет собой гармоническое колебание, его спектр, как нам уже известно, обозначается одной вертикальной «дискре-той». Для формирования пилот-сигнала нет необходимости использовать отдельный генератор, и речь здесь вовсе не об экономии радиоэлементов УКВ радиовещательное оборудование — товар штучный и дорогой. Дело совсем в другом. Пилот-сигнал должен быть фазирован с колебаниями надтональной части, то есть их «нули обязаны совпадать. На рис. 1.40 генератор G1 формирует также и пилот-сигнал. Амплитуда пилот-тона подбирается такой, чтобы его вклад в девиацию частоты не превышал 8—10% от полной девиации
75 кГц. Далее сигналы тональной и надтональной части, а также пилот-тон суммируются в сумматоре АЗ и непосредственно подаются на вход ВЧ модулятора УКВ передатчика. Ясно, что в данном случае нет необходимости вводить дополнительный режекторный фильтр на частоте несущей, так как несущая уже полностью подавлена. Амплитуда пилот-тона, заменяющего несущую, может быть отрегулирована независимо от информационного сигнала. Следовательно, в состав стереодекодера нет необходимости включать контур с нормированной добротностью, что значительно снижает требования к номинальным допускам элементов, входящих в тракт стереодекодера.
Полный спектр сигнала, сформированного по системе с пилот-то-ном, показан на рис. 1.43
/гкян
Рис. 1.43. Спектр кодированного сигнала
в системе с пилот-тоном
Максимальная частота такого сигнала составляет 53 кГц, то есть больше, чем в отечественной системе (46,25 кГц). Впрочем, расширение спектра компенсируется большей девиацией.
Теперь настало время разобраться, как декодировать этот сигнал. Исторически стереодекодеры с пилот-тоном развивались по пути, аналогичному отечественным стереодекодерам. Это и понятно — у них достаточно много общих черт Первыми появились полярные Декодеры, в которых детектирование осуществлялось при помощи однополупсриодных амплитудных детекторов. Однако, в отличие от Декодеров системы с полярной модуляцией, где ПМК восстанавливается из КСС только подъемом поднесущей и прилегающих к ней частот на 14 дБ, здесь ПМК необходимо формировать, восстанавливая несущую Структурная схема полярного стереодекодера приведена на рис. 1 44
Рис. 1.44. Структурная схема полярного стереодекодера для системы с пилот-тоном
Входной сигнал КСС усиливается в усилителе А1. Далее в полосовом фильтре Z1 осуществляется выделение пилот-тона, удвоение его частоты (в блоке U1), коррекция фазы устройством задержки U2 и дополнительное усиление в масштабном усилителе А4 Затем происходит сложение пилот-тона с КСС в сумматоре А2, на выходе которого образуется ПМК Полярно-модулированное колебание детектируется в полярном детекторе, а также корректируются предыскажения каналов. Эту функцию выполняет блок АЗ. Как видно, полярный стереодекодер для системы с пилот-тоном гораздо сложнее аналогичного декодера системы с полярной модуляцией. Однако качество выходного сигнала в декодерах с пилот-тоном выше, несмотря на то что детектирование не имеет особенностей в той и другой системе.
Чтобы читателю стали понятнее эти утверждения, разберем формирование ПМК в тракте стереодекодера. Для простоты вначале считаем, что модуляция осуществляется монофоническим сигналом Спектр КСС в таком случае будет содержать тональную часть и сигнал пилот-тона. Надтональная часть, полученная методом балансной модуляции, отсутствует. Мы увидим на выходе стереодекодера картину, изображенную на рис. 1.45.
Из рис. 1.45 видно, что на полезный сигнал накладывается «пульсация» пилот-тона, впрочем, не слишком большая. Учитывая это, а также то, что эта «пульсация» фильтруется дополнительным ФНЧ, устанавливаемым на выходе стереодекодера, мы на время забудем о пилот-тоне.
Рис. 1.45. Модуляция монофоническим
сигналом
Итак, попробуем восстановить формы сигналов без учета воздей ствия пилот-тона, считая, что сигнал подается только в капал А, но на входе канала В сигнал остается нулевым
Суммарный сигнал каналов, изображенный на рис. 1.46, а, складывается с DSB сигналом, образованным модуляцией разностной составляющей (рис. 1.46, б). В результате образуется колебание (рис. 1.46, в), которым модулируется ВЧ передатчик. Это колебание представляет собой КСС, однако на самом деле форма его сложнее, так как на рис. 1.46 не показан пилот-тон. Как уже было сказано, непосредственно детектировать такое колебание нельзя, потому что положительные полупериоды содержат не только составляющие канала А, но и компоненты канала В. Чтобы правильно восстановить канальные составляющие, нужно «разнести» полупериоды, относящиеся к разным каналам, в противоположные стороны. Для этого необходимо наложить на КСС сигнал, по частоте равный сигналу поднесущей DSB и, более того, совпадающий с ним по фазе. Сигнал наложения, просуммировавшись с DSB колебанием, образует ПМК, вид которого показан на рис. 1.46, д В принципе мржпо формировать сигнал наложения прямо в стереодекодере, синхронизировав ее DSB Однако такой путь не слишком удачен для высококачественного приема, так как при пропадании DSB колебания синхронизация однозначно нарушится. Рассинхронизация наступит и при
приеме стереосигналов с малым различием канальных составляющих, не говоря уж о мопосигпалах. Чтобы уверенно принимать стереопередачи, сигнал наложения передают в составе КСС. Вы наверняка догадались, что это пилот-сигнал. Поскольку его частота равна половинной частоте поднесущей, после выделения частоту пилот-то-на удваивают, как показано на рис. 1.46, г. При удвоении происходит небольшое фазовое искажение, выражающееся в задержке фазы, поэтому в классический стереодекодер вводят элемент дополнительной задержки U2, выравнивающий фазы DSB сигнала и удвоенного пи-лот-тона. Если схема удвоителя вносит небольшую задержку, не особенно влияющую на качество детектирования, то от U2 можно отказаться Далее сигнал наложения можно усиливать, подобрав его амплитуду так, чтобы получить минимально возможные искажения. Как известно, нелинейные искажения удобно характеризовать с помощью коэффициента гармоник В случае однополупериодного амплитудного детектора
где т — коэффициент амплитудной модуляции
Искажения в амплитудном детекторе связаны с квадратичным видом прямой ветви вольт-амперной характеристики диода, и они могут быть понижены путем снижения коэффициента амплитудной модуляции. В данном случае можно без труда понизить глубину модуляции.
Дальнейшее развитие техники стереовещания привело к разработке стереодекодера, основанного на принципе суммарно-разностного разделения каналов. Структурная схема такого стереодекодера показана на рис. 1 47.
Поступив на вход стереодекодсра, КСС усиливается в предварительном усилителе А1 и поступает в систему фильтров Z1-—Z3 Фильтр низкой частоты (с частотой среза 15 кГц) выделяет тональную составляющую (А + В), полосовой фильтр Z2 с полосой 23—53 кГц предназначен для выделения надтональной составляющей (А — В) Фильтр Z3 выделяет пилот-сигнал, который удваивается в умножителе U1, при необходимости фаза корректируется Цепью задержки U2. Далее удвоенный пилот-тон детектирует в
Рис. 1.47. Стереодекодер на основе принципа суммарно-разностного разделения стереоканалов
синхронном детекторе U3 надтональную часть. В результате на выходе U3 образуется составляющая (А-В) Сумматор АЗ преоС разует низкочастотную суммарную и разностную составляющие в канальные сигналы А и В Далее необходимо лишь скорректиро вать предыскажения. Можно заметить, что в этой схеме отсутствует амплитудный детектор Синхронный детектор, построенный на принципе перемножения двух сигналов, переносит спектр разностной составляющей из надтональной в тональную часть.
Практические схемы описанных стереодекодеров приведены в книге [17], и при желании их можно повторить. Впрочем, сегодня не имеет особого смысла заниматься этой работой Многочисленные современные стереодекодеры, выпускаемые в виде интегральных микросхем, требуют для обеспечения рабочего состояния минимальное количество навесных элементов, миниатюрны и удобны в экс плуатации Они построены на основе более совершенных принци пов, имеют встроенный генератор с ФАПЧ, синхронизируемый пилот-тоном, синхронный детектор и множество других полезных дополнений. В мире выпускается огромное количество стереодекодеров с ФАПЧ, с разнообразным набором сервисных функций, диапазоном питающего напряжения интегрированных с радиоприемной частью и самостоятельных Упомянуть все стереодекодеры в рамках
этой книги — задача невыполнимая. Поэтому в практической части автор решил познакомить читателя с наиболее характерными схемами, с остальными при необходимости придется познакомиться самостоятельно
Структурная схемы стереодекодера с ФАПЧ приведена на рис. 1.48.
Рис. 1.48. Стереодекодер с ФАПЧ и синхронным детектором
Входной сигнал КСС усиливается в усилителе А1. Далее он поступает на простой полосовой RC фильтр, который отделяет пилот-тон от остальных составляющих. В схеме декодера предусматривается также местный генератор поднесущей G1, частота которого устанавливается близкой к частоте пилот-тона. Отфильтрованный сигнал пилот-тона, а также сигнал G1 подаются на фазовый детектор U1, который вырабатывает сигнал фазовой ошибки между этими сигналами. Сигнал ошибки управляет частотой G1, таким образом, частота генератора синхронизируется с точностью до фазы пилот-тоном. Удвоенный в U2 сигнал G1 смешивается в сумматоре А2 с КСС, таким образом восстанавливается ПМК Кроме того, сигнал G1 Управляет работой ключей Кл1 и Кл2 так, что во время положительных полупериодов открыт Кл1, а во время отрицательных Кл
Индикация о наличии стереосигнала осуществляется блоком АЗ, в который входит драйвер светодиода.
Важной особенностью стереодекодеров с ФАПЧ является отсутствие индуктивных элементов, поэтому настраивать их очень просто — достаточно установить частоту ГУН G1 близкой к частоте захвата пилот-тона, что выполняется поворотом всего одного подстроечного резистора.
Автором в свое время было изготовлено и опробовано в работе несколько разновидностей стереодекодеров с пилот-тоном. Практика показала, что в сегодняшних условиях заниматься сборкой стерсоде-кодера из дискретных элементов — значит затратить много времени и получить очень средний результат. Нужно наматывать катушки, настраивать их в резонанс с пилот-тоном, снижать нелинейные искажения в амплитудном детекторе и преодолевать прочие трудности. Значительно сэкономить время и получить прекрасный результат позволяют только интегральные стереодскодеры па основе ФАПЧ. Любой промышленный интегральный декодер, приобретенный в магазине, на радиолюбительском рынке или аккуратно выпаянный из разбитой магнитолы, удовлетворит слух подавляющего большинства слушателей. В общем-то еще 5—6 лет назад радиолюбители так и поступали: покупали на радиорынках то, что предлагалось (1—2 наименования), выпаивали из отслуживших свое плат (одно время эти платы бойко продавались по копеечным ценам) Короче говоря, что было, то и ставили. Автор этой книги не без основания гордится тем, что в свое время, движимый желанием высококачественного приема станций в FM диапазоне, разработал доступный для повторения тюнер [15]. Собственно, никаких новых технических решений в той конструкции нет — она сложилась из чуть-чуть переработанных узлов отечественной промышленной аппаратуры. В тракте стереодекодера использовалась микросхема А4510D неизвестного происхождения, но тем не менее отлично зарекомендовавшая себя с точки зрения нелинейных искажений, разделения стереоканалов, надежности и других эксплуатационных свойств.
Надеюсь, теперь читателю в основном ясно, как построены системы стереовещания и чем они отличаются друг от друга. Интересно отметить, что если 6—8 лет назад, конструируя стсреоприемники удивлялись, почему в FM диапазоне пропадает стереосигнал, то те
перь уже недоумевают, почему «не стерео» в отечественном диапазоне. Недавно автор стал свидетелем обсуждения такого вопроса на одной из интернетовских конференций. Это говорит о том, что FM диапазон в нашей стране освоен, а диапазон ЧМ постепенно начинает замирать.
В заключение этого раздела остановимся на общих проблемах стереовещания Как показывает современный опыт радиопередачи стереозвука, проблемы с качественной трансляцией сигнала могут возникнуть не только на стороне приема. Если передающий тракт спроектирован без учета специфических особенностей взаимодействия сигналов с близкими частотами, каким бы качественным ни был приемник, добиться высокого качества звука при приеме вряд ли удастся.
Опыт проектирования радиопередающих средств свидетельствует, что на входе стереокодера необходимо устанавливать не только ФВЧ с нормированной постоянной, по также и ФНЧ, который равномерно пропускает вес частоты ниже 15 кГц и имеет высокую крутизну спада амплитудной характеристики выше 15 кГц. Если такого фильтра в кодере нет, высокочастотные составляющие спектра звукового сигнала (об этом уже было вкратце сказано) попадут в нижнюю боковую полосу надтонального сигнала (от 16,25 до 46,25 кГц в системе с полярной модуляцией и от 19 до 53 кГц в системе с пилот-тоном), что показано на рис. 1.49. Последствия будут такими.
Если звук кодируется в системе с пилот-тоном, то внеполосная составляющая попадает в зону пилот-сигнала, следовательно, стереодекодер может выйти из режима захвата системы ФАПЧ. В системе с полярной модуляцией, к примеру, если спектр тональной составляющей КСС простирается до 19 кГц, она превратится в 12,25 кГц на выходе декодера. Более того, в обоих случаях расширяется спектр излучаемых частот, что приводит к помехам на частоте вешания соседних радиостанций. Взаимные Помехи — серьезная проблема современного стереовещания Исследования специалистов этого вопроса, проведенные в крупных городах России (Санкт-Петербург, Москва), показывают, что взаимные помехи соседних станций часто служат источником жалоб их сотрудников друг па друга Мирное соседство здесь — явление
а) 6)
Рис 1.49 Спектры нормально кодированных и кодированных с несоблюдением норм стереосигналов: a — в системе с полярной модуляцией;
б — в системе с пилот-тоном
непостоянное. Суть проблемы заключается в неконтролируемом увеличении девиации частоты передатчика как за счет расширения спектра, так и при передаче громких пиков сигнала. В принципе увеличение девиации даже до 120 кГц при разносе частот 400 кГц не создает помех приему тогда, когда радиоприемник обладает высокой селективностью по соседнему каналу. Увы, в эксплуата ции имеется много дешевых приемников китайского производства, изготовленных «на коленях». Речи о том, что соблюдаются нормы на характеристики ФПЧ, даже и не идет — нет никакого соответствия с нормами современного приемника, предназначенного для работы в условиях густонаселенных диапазонов. Решить проблему взаимных помех не так просто, но отчасти возможно с помощью специального ограничителя амплитуды сигнала и хорошего ФНЧ на входе стереокодера. Конечно, можно сказать, что пусть радиовещатели разбираются со своими проблемами сами, мы будем использовать хорошие, фирменные фильтры ФПЧ и избавимся от помех соседей Но не будем забывать, что остается еще первая
проблема Автор столкнулся с ней при приеме одной питерской радиостанции, название которой не упоминается из этических соображений. Довольно продолжительное время на волне этой станции постоянно «помаргивал» светодиод «стерео», свидетельствуя о выходе системы ФАПЧ из режима захвата, присутствовали заметные на слух нелинейные искажения Причина крылась, как видится автору, в отсутствии хорошего ФНЧ Некоторое время спустя, скорее всего, кто-то указал радиостанции на качество излучаемого ею сигнала, и проблему устранили. И все же, занимаясь изготовлением приемников, описанных в книге, не делайте поспешные выводы о плохой настройке приемной антенны или частотного детектора. Если при настройке на определенную станцию будет проявляться нечто подобное, вполне возможно, что проблема — на передающей стороне.
В качестве примера густонаселенного УКВ диапазона можно привести московскую сетку частот по состоянию на конец 2000 года Легко подсчитать, что вещание ведется 14 станциями отечественного диапазона и 21 станцией диапазона FM
Отечественный диапазон 66—74 МГц (полярная модуляция)
66 44 «Радио России»
66.86 «Максимум»
67,22 «Маяк»
68,00 «Авторадио»
68,30 « Радио-1»
68,84 «Юность»
69.26 «Шансон»
69,80 «Европа-Плюс»
70,19 «Ультра»
71,30 «Русское радио»
72,14 «Орфей»
72,92 «Ретро»
73,40 «Радио 7 на семи холмах»
73,82 «Эхо Москвы»
‘—= Зарубежный диапазон 88—108 МГц (пилот-тон)
88 00 «До-радио» (полярная модуляция)
90 30 «Авторадио»
90,80 «Спорт-FM»
91,20 «Эхо Москвы»
10010 «Серебряный дождь»
100,50 «Ультра»
101,20 «Динамит FM»
101,70 «Наше радио»
102,10 «Монте-Карло»
102,50 «Открытое радио»
103,40 «Маяк»
103,70 «Максимум»
104,20 «Радио России»
104,70 «Радио 7 на семи холмах»
105,20 «РДВ — Радио Деловая Волна»
105,70 «Русское радио»
106,20 «Европа-Плюс»
106 60 «Любовь»
107 00 «Станция 2000»
107,40 «Хит-FM»
[ 107,80 «Милицейская волна»
Нам пора завершать разговор об основах стереофонического ра диовещания и переходить к краткому обзору технических идей, используемых для демодуляции сигналов. После этого — первая прак тичсская конструкция
1.6. Детектирование сигналов и система ФАПЧ
Картина, сложившаяся у нас после чтения теоретической части, будет неполной, если мы не расскажем вкратце о том, каким образом осуществляется детектирование модулированных колебаний. Как читатель уже успел заметить, в современном УКВ приемнике при
сутствуют все основные разновидности детекторов: амплитудные, частотные, фазовые Исторически первыми появились амплитудные детекторы, преобразующие модулированное AM колебание, например в звуковой сигнал. Простейший амплитудный детектор, уже встреченный нами в разделе, посвященном стереодекодсрам, изображен на рис. 1 50
Рис. 1.50. Классический амплитудный детектор
Детектор «обрезает» отрицательные полупериоды AM колебания и фильтрует ВЧ пульсации поднесущей Вот, собственно, и весь принцип его работы. К сожалению, на качество выходного сигнала такого детектора очень сильно влияют параметры диода VD Являясь нелинейным элементом, выпрямительный диод вносит в полезный сигнал дополнительные гармонические составляющие, амплитуда которых прямо пропорциональна уровню входного сигнала и коэффициенту амплитудной модуляции (т). Покажем, что это так на самом деле. В теоретической радиотехнике реальную вольт-амперную характеристику выпрямительного полупроводникового диода (рис. 1.51) заменяют квадратичной зависимостью вида:
i ~ Ао + Aji + A2i2 ,
где Ао, Ah А2 — коэффициенты, зависящие от конкретного типа диода.
Текущее значение входного напряжения в случае AM колебания будет определяться известным выражением
U = [/M(l + wisinQ/)sinco0r.
Подставляя это значение в выражение для тока диода, получим.
i = Ао + Л,(7т(1 + msinQ/)sincool + A2Uk (1 + wsinQ/)2 sin coot.
Рис. 1.51. Вольт-амперная характеристика диода
Если раскрыть это выражение с помощью правил школьной тригонометрии, группируя члены, относящиеся к частотам Q и соо, то окажется, что в спектре выходного тока будут присутствовать:
а) постоянная составляющая;
б) частоты соо, 2со0, относящиеся к немодулированной несущей;
в) частоты Q и 2Q, относящиеся к модулирующему сигналу;
г) комбинационные частоты (соо - Q), (соо + Q), (2соо + Q), (2со0 Q), (2соо + 2Я), (2соо + 2Я)
Если выбрать со0 » Q, то блокировочный конденсатор Сн отфильтрует все составляющие, в которых присутствует соо. Разделительный конденсатор Ср обрежет неинформативную постоянную составляющую Таким образом, выражение для выходного напряжения
U = mAJJ2 R sin Di - — A U2 cos 2Q1.
вых Z m g д I m
В спектре выходного сигнала, как мы видим, присутствует составляющая с частотой 2D. Эта составляющая искажает выходной сигнал. Но можно также заметить, что основная гармоника сигнала пропорциональна первой степени коэффициента модуляции т, а вторая пропорциональна квадрату. Такое детектирование, в резуль тате которого появляются паразитные составляющие, называют квадратичным. Чтобы детектирование осуществлялось по линейному закону, прежде всего, важно использовать такой элемент на месте диода, характеристика которого имела бы вид, изображенный на рис 1.52.
Рис. 1.52. Вольт-амперная характеристика диода, не обладающего нелинейностью
Конечно, простых элементов, обладающих этими свойствами пока не разработано Однако можно заметить, что при малых коэффициентах модуляции квадратичный член становится пренебрежимо малым. Физически это означает, что «кривизна» вольт-амперной характеристики на малом отрезке незаметна, что и отражено на рис. 1.53.
Рис. 1.53. Спрямленная характеристика реального диода
Нелинейные искажения обусловленные неидеальностью вольт-ам Перной характеристики полупроводникового диода, — не единствен-
ная «беда» классического амплитудного детектора Искажения также вносит его частотная инерционность, связанная с конечным значением постоянной времени нагрузки т = ChRh. Впрочем, если выбрать
где Finax — максимальная модулирующая частота, то нелинейные искажения, обусловленные инерционностью детектора, будут сведены к минимуму.
Простой амплитудный детектор обладает конечными входным и выходным сопротивлениями, что усложняет его согласование с источником сигнала и нагрузкой. Учитывая вышеперечисленные недостатки, преследуя цель избавиться от них, были разработаны транзисторные амплитудные детекторы, изображенные на рис 1 54.
Рис 1.54. Транзисторные амплитудные детекторы
Эмиттерный детектор, представленный на рис. 1 54, а, имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное, что обусловли вается основными свойствами эмиттерного повторителя. Режим работы детектора устанавливается резисторами R1 и R2. Принцип такого детектора станет ясен, если вы взглянете на рис. 1.54, в. Эмиттерный переход транзистора представляет собой полупроводнике вый диод, поэтому с помощью делителя R1—R2 рабочую точку выводят в положение, в котором диод будет «отсекать» отрицательные полуволны (потенциал базы составляет около 0,7 В).
Коллекторный детектор, изображенный на рис 1.54, б, отличается от описанных ранее тем, что за счет усиления транзистора (сигнал «снимается» с коллекторного вывода) коэффициент передачи сигнала такого детектора будет больше 1. К слову, в составе УКВ ЧМ приемников тоже имеются амплитудные детекторы, построенные, правда, по несколько усложненным транзисторным схемам. Разработчики импортных микросхем, как правило, указывают в документации устройство основных каскадов, в том числе и амплитудного детектора.
Особый класс амплитудных детекторов составляют синхронные детекторы. Схемотехнически они значительно сложнее обычных, однако усложнение оправдывается возможностью получения минимальных искажений демодулированного сигнала Рассмотрим структурную схему синхронного детектора, изображенную на рис. 1.55
Рис. 1.55. Амплитудный синхронный детектор
Входной модулированный сигнал усиливается широкополосным усилителем А1. Далее с помощью фильтра Z1 отфильтровывается несущая сигнала, которая с точностью до фазы синхронизирует ГУН G1 ГУН — это генератор, управляемый напряжением На его выходе формируются прямоугольные импульсы, которые показаны на рис. 1.56, б. Эти импульсы в умножителе U1 перемножаются с модулированным AM колебанием, полученным с выхода А1 На выходе умножителя наблюдается однополярное колебание (рис. 1.56, в), огибающая которого представляет собой демодули-Рованный сигнал.
С помощью ФНЧ Z2 отфильтровывается несущая, и на выходе детектора мы имеем сигнал Uetlx. Как показывает теория, выходное напряжение (в случае модуляции гармоническим сигналом) имеет форму
2U
ивых = —-(1 + wsinQ/).
7Г
Другими словами, синхронный детектор — это обыкновенный амплитудный детектор, но имеющий идеальный диод.
Теперь поговорим о частотных детекторах. Классический часто -ный детектор состоит их двух основных частей: устройства преобра-зования частотно-модулированного колебания в амплитудно-модУ'
лированное и амплитудного детектора AM колебания. Преобразователь модуляции предназначен для преобразования ЧМ сигнала в сигнал с амплитудой, изменяющейся по закону изменения частоты. Достигается это за счет использования в составе преобразователя такого элемента, у которого коэффициент передачи зависит от частоты. Элемент хорошо нам известен это одиночный колебательный контур Если колебательный контур немного расстроить относительно несущей частоты, но так, чтобы девиация «уложилась» на одном из скатов резонансной кривой (как показано на рис 1 57, а), то на выходе каскада А1 (рис. 1.57, б) получим AM колебание.
Рис 1.57. Частотный детектор с одиночным колебательным контуром и график, поясняющий его работу
Внимательный читатель может заметить, что, если ЧМ колеба-нис, образуемое генератором будет вдобавок менять амплитуду это обстоятельство внесет искажения в выходной сигнал детектора Чтобы предотвратить искажения, в состав тракта детектирования вводят ограничитель, который стабилизирует амплитуду Uex. Огра. ничитель необходимо ввести в тракт перед преобразователем моду, ляции, но никак нс после него Качество стабилизации амплитуды оценивается параметром степень подавления паразитной AM. Поскольку ограничитель — элемент нсидеальный, на его выходе пара-зитная AM все же остается, но значительно сниженной. «Но почему появляется паразитная АМ?» — спросит читатель. Дело в том, что уровень сигнала, поступившего на вход приемника, зависит и от мощности передающей станции, и от ее удаленности от места приема, и от качества приемной антенны, и еще много от чего. Амплитуда входного ВЧ сигнала меняется, а значит, будет меняться она и на входе детектора. Ограничитель позволяет избавиться от указанного недостатка. Степень подавления АМ обязательно нормируется в технической документации на микросхемы радиоприемников УКВ диапазона
Степень подавления АМ при наличии соответствующих приборов можно оценить и самостоятельно. Делается это с помощью одновременного способа измерения. Методика, описанная, например, в ГОСТ 17692-72, звучит так. На вход приемника подается ВЧ сигнал одновременно модулированный по частоте (F = 400 Гц, Af = 50 к! л) и по амплитуде (F = 1 кГц, m = 0,3). Представляете себе частотно-мо-дулированпое колебание, у которого вдобавок изменяется и амплитуда" Так вот, показателем подавления АМ служит отношение выходного напряжения с частотой 400 Гц, измеренное без амплитудной модуляции, к приращению напряжения, измеренного с включенной АМ. Это отношение, выраженное в децибелах, не должно превышать 26—34 дБ. Аналогично (правда, с другими параметрами модуляции) измеряется степень подавления АМ в приемниках FM диапазона Вы можете найти все необходимые данные в технической документации
В частотных детекторах с преобразованием модуляции очень важным является степень линейности ската резонансной характеристики контура. Естественно, чем более она будет отличаться от прямой линии, тем сильнее исказится выходной сигнал Нелишне вспоМ'
нить о такой характеристике контура, как его добротность. Чем меньше добротность, тем плавнее скаты резонансной кривой. Слишком маленькая добротность, кстати, тоже плоха — наклон ската окажется очень уж небольшим Следовательно, и коэффициент модуляции получится недостаточным, а значит, и размах сигнала снизится. Внимание! Добротность контуров частотных детекторов искусственно снижают до разумных пределов, вводя параллельно контуру сопротивление Rk, как показано на рис. 1.57, б. Это сопротивление вы еше не раз увидите в практических схемах.
Существуют методики настройки частотных детекторов, однако при изготовлении самодельных приемников проще всего настроить частотный детектор «на слух», по максимуму громкости и минимуму искажений звукового сигнала. В процессе настройки не следует торопиться, лучше потратить небольшое количество времени, чтобы, вращая сердечник катушки индуктивности, изучить поведение детектора при различных его положениях Попробуйте настроить детектор несколько раз на одной станции, перестройте приемник и повторите настройку «Почувствуйте разницу», как говорилось в одной телерекламе.
В начале нашего разговора о ЧМ радиовещании мы вскользь упоминали схему дробного ЧМ детектора. Эта схема использовалась в радиоприемной аппаратуре на протяжении десятилетий, хорошо зарекомендовала себя с точки зрения качества звука, стабильности характеристик. Сегодня дробный детектор потихоньку становится достоянием истории массовой радиоаппаратуры, поэтому описывать его устройство мы здесь не будем Если у читателя возник интерес, отсылаю его к изданиям [7, 18].
Поскольку радиоприемники — продукция, выпускаемая очень большими партиями, се разработчики стремятся снизить количество элементов, используемых в схеме, упростить и автоматизировать технологический процесс сборки, до минимума сократить настроечные операции. Экономический эффект, следующий за этим, весьма высок. К сожалению, настройка резонансных катушек индуктивности — задача для автоматизации не подходящая Необходимо содержать штат настройщиков, которые будут «крутить контуры», усложнять технологический процесс. Разработчикам современной элементной базы удалось отказаться, как мы ранее говорили, от
трудоемких ФСС, заменив их пьезокерамическими фильтрами. Очень хотелось отказаться также от контура частотного детектора. Не так давно это удалось сделать, заменив индуктивный элемент пье-зоксрамическим эквивалентом колебательного контура. Эквиваленты выпускаются фирмой Murata, маркируются индексом CDA (маркировка CDA-10,7 означает, что данный эквивалент предназначен для работы в ЧМ приемниках с ПЧ, равной 10,7 МГц). Внешне CDA выглядят так, как показано на рис. 1.58. Частотная характеристика приведена на рис. 1.59.
В окрестности 10,7 МГц вершина частотной характеристики «1» представляет собой достаточно ровный скат. Преобразование ЧМ колебания в AM возможно при девиации несущей частоты в ту или иную сторону от центральной частоты. Кривой «2» обозначена степень нелинейных искажений, возникающих при использовании CDA. Видно, что при незначительных отклонениях в пределах ±100 кГц нелинейные искажения не превышают 0,5%. В практической части мы изготовим приемник, в котором будет использован CDA Уверен, вам понравится его звучание.
«А возможно ли сразу демодулировать ЧМ колебание, без его предварительного преобразования в АМ?» спросит любознательный читатель. Оказывается, и такое возможно Существует особый класс частотных детекторов, называемых двойными балансными квадратурными ЧМ детекторами. Практически они используются на частотах, не превышающих сотни кГц, что затрудняет их применение в УКВ технике. Однако фирмой «Филипс» разработаны однокристальные приемники TDA7010, TDA7021 (отечественный аналог К174ХА34), TDA7088, в составе которых имеется такой детектор Микросхема TDA7010 требует для нормальной работы детектора подключения внешних элементов, а в TDA7021 детектор настроен на этапе изготовления. Скоро мы встретимся с этими микросхемами, поэтому постарайтесь как можно лучше понять работу квадратурного ЧМ детектора. Его структурная схема приведена на рис 1.60.
Входной ЧМ модулированный сигнал поступает на предварительный усилитель А1 После усиления амплитуда сигнала ограничивается амплитудным селектором А2 и подается на вход аналогового умножителя А4. Теперь рассмотрим другую сигнальную ветк> Этот же входной ЧМ сигнал, усиленный в А1, поступает на фазовра
Рис. 1.58. CDA эквивалент колебательного контура фирмы «Murata»
Частота, МГц
Рис 1 59. Частотная характеристика CDA-эквивалента
Щатель U1, который задерживает сигнал, создавая ему дополнительный фазовый сдвиг ср. Фазовращатель необходимо построить так, Чтобы фазовый сдвиг линейно зависел от частоты входного сигнала. Далее задержанный сигнал также ограничивается по амплитуде в
Рис. 1.60. Структурная схема двойного балансного квадратурного ЧМ детектора
блоке АЗ и поступает на второй вход умножителя А4 На выходе умножителя нет амплитудного детектора, есть только ФНЧ Z1, выделяющий информационный сигнал. Как видите, схема принципиально отличается от классического ЧМ детектора, результат ее работы поистине поразительный! Но еще более удивительным является следующее обстоятельство. Задумайтесь: ограничители сигнала — это по сути компараторы с нулевым порогом, которые преобразуют аналоговый сигнал в импульсный (цифровой). А на выходе детектора мы имеем нормальный звуковой сигнал. Наличие ограничителей в схеме детектора не просто желательно, а даже необходимо
Чтобы досконально понять логику работы детектора, задачу несколько упростим. Предположим, что ограничителей в схеме нет, и гармонический сигнал, обладающий постоянством амплитуды, поступает на последующие каскады в виде
Ц = ^.m sincool;
U2 =^2mcos(co0r-(p(co)).
Ошибки в записи последней функции нет. Для правильной работы квадратурного балансного ЧМ детектора очень важно, чтобы прямой и задержанный сигналы находились в квадратуре, то есть были сдвинуты на 90° друг относительно друга. Естественно, что точный сдвиг на четверть периода частоты может выполняться на какой-то одной частоте. Предположим, что это частота немодулированной не
сущей. Сигнал на выходе умножителя является результатом произведения этих функций:
^вых =оЦтС/2т «П(Ооt COS((00Z -ф((0» , где о — коэффициент пропорциональности.
После несложного тригонометрического преобразования получим:
Цвых [sin <p((o) + sin 2со01 cos<p(co) - cos 2coor sin<p(co)].
При небольших отклонениях фазы мы вполне можем упростить эту формулу:
Уеых =oC/ImL/2m[(p((o) + sin2co0/-<p(w)cos2(o0/].
Сгруппируем:
[<Р(“) (1 - cos 2со 0/) + sin 2(00 /].
Нам пришлось сделать допущение, что начальным является значение <р = О В действительности на частоте, в которой сигналы находятся в квадратуре, необходимо задерживать сигнал U2 в точности на угол л/2, что возможно реализовать с помощью схемы фазовращателя, приведенной на рис. 1 61. Такой фазовращатель используется в составе микросхем TDA7010 и TDA7021. Фазочастотная характеристика этого узла приведена на рис. 1.62.
На центральной частоте, равной 76 кГц, фазовый сдвиг составляет л/2, что видно из разметки левой вертикальной оси. Правая ось, имеющая и положительные и отрицательные фазовые сдвиги, относится к квадратурным сигналам. Знак «+» означает опережение фазы, знак «-» — отставание Отклонение частоты в сторону уменьшения «скручивает» фазу (в реальном сигнале она становится меньше л/2), увеличение, наоборот, «накручивает» ее Для квадратурного сигнала это означает, что сдвиг становится то положительным, то отрицательным.
Теперь настало время проанализировать формулу, полученную вЫше. Сигнал, полученный на выходе умножителя, по сути состоит из двух частей:
=oC/lmC/2m(p((o)[l-cos2(o0/]
sin2(o0z.
Слагаемое с индексом «2» — это симметричный относительно горизонтальной оси синусоидальный сигнал с частотой, равной удвоенной частоте несущей. Амплитуда сигнала постоянна, а значит, его легко отфильтровать простейшим ФНЧ. Слагаемое с индексом «I» по сути также является периодической функцией, однако сдвинутой относительно горизонтальной нулевой оси. Более того, амплитуда этой составляющей меняется с изменением фазового сдвига, как показано на рис 1.63.
Внимательный читатель уже наверняка заметил, что, если сигнал «переходит» горизонтальную ось, должна «перевернуться» фаза косинусного колебания, то есть колебание будет располагаться в области отрицательных амплитуд. И очень хорошо! Вы не забыли, что на выходе умножителя нет никаких амплитудных детекторов, а есть только ФНЧ, который выделит из колебания низкочастотную составляющую, изображенную на рис. 1.63 штрих-пунктирной линией.
Вам понравился такой детектор? Автору он тоже понравился. Однако пора завершать теоретический раздел. В заключение мы поговорим о таком интересном радиотехническом изобретении, как фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) Система ФАПЧ разработана давно, широко используется в различных каскадах радиоприемников, мы также в процессе изготовления наших конструкций встретимся с ней лицом к лицу. Здесь коротко расскажем о ФАПЧ, выполняющей работу по поддержанию стабильной частоты гетеродина.
При изготовлении УКВ приемников не следует забывать, что частота гетеродина с течением времени непостоянна, она может «уходить» от нужной под действием температуры (когда работающий радиоприемник вынесли из теплого помещения на мороз), изменения напряжения питания (к примеру, связанное с разрядом батарей питания), механическим воздействием на органы настройки частоты (если приемник работает в автомобиле). Когда селективность ПЧ тракта невысока, «уход» частоты не вызовет пропадания принимаемого сигнала, а вот если ФПЧ высокоселективный (специалисты говорят, что настройка такого приемника очень острая), радиостанция может уменьшить громкость или вообще пропасть. С целью стабилизации частоты настройки с необходимой точностью в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, разработана система ФАПЧ, структурная схема которой приведена на рис. 1 64
Эта схема, являющаяся классической, содержит в своем составе три основных элемента: дискриминатор (U2), ФНЧ (Z1), управитель (А2).
Дискриминатор вырабатывает управляющее напряжение, величина и знак которого определяются величиной и знаком ухода частоты гетеродина от номинального значения. Частотная характеристика дискриминатора имеет вид, изображенный на рис. 1.65, а. Ра-
Рис. 1 64 Структурная схема ФАПЧ
а) б)
Рис. 1.65 Передаточные характеристики дискриминатора (а) и управителя (б)
ботает дискриминатор следующим образом. При изменении на Л/ частоты сигнала, подаваемого на вход дискриминатора изменяется на величину IxU напряжение на его выходе. Важно отметить что знак напряжения Д(7 должен зависеть от того в какую сторону от центральной частоты настройки происходит уход частоты гетероди-
ца. Если частота гетеродина возросла на +Af, соответственно увеличится промежуточная частота на выходе смесителя U1. При уменьшении частоты полярность выходного напряжения изменяется на противоположную.
[ Дискриминатор характеризуется крутизной передаточной характеристики
(в/кГц)-ДА
Второй элемент системы ФАПЧ называемый управителем А2), изменяет частоту гетеродина так, чтобы скомпенсировать влияние дестабилизирующих факторов, снизить уход частоты до допустимого значения Управитель имеет передаточную характеристику, изображенную на рис. 1.65, б. Увеличение управляющего напряжения (ACT), подаваемого от дискриминатора, должно вызвать уменьшение частоты гетеродина на величину А/
Управитель также характеризуется крутизной.
I S,=^.(KruB)
Фильтр (Z1) важный элемент системы ФАПЧ определяющий ее инерционные свойства. Фильтр во первых позволяет избавиться от составляющих промежуточной частоты на выходе дискриминатора и, во-вторых устраняет самовозбуждение системы ФАПЧ Дело в том что система ФАПЧ является системой обратной связи а значит, подчи няется законам автоматического управления Из теории систем с об-1 ратными связями известно, что при определенных условиях устойчивость петли ФАПЧ может нарушиться возникнет генерация Специа листы говорят что система «завелась» Классический пример системы с неустойчивой обратной связью—гетеродин радиоприемника.
Для оценки эффективности ФАПЧ введен параметр, называемый коэффициентом автоподстройки частоты Коэффициент показывает, во сколько раз изменение частоты гетеродина при включенной петле ФАПЧ меньше изменения частоты гетеродина в условиях, когда петля ФАПЧ разомкнута Конечно оценку следует производить пРи одной и той же расстройке относительной центральной частоты
К-am ~ 1 + S >Sd [ .
При увеличении крутизны дискриминатора и управителя эффективность системы ФАПЧ увеличивается. На практике коэффициент автоподстройки может достигать значений, равных 10.
Традиционно система ФАПЧ используется только в УКВ трактах для подстройки частоты гетеродина. Как показывает многолетний опыт разработки радиоприемной аппаратуры, ФАПЧ значительно улучшает характеристики приемника без заметного усложнения его схемы. Оказывается, что контур частотного детектора обладает характеристикой, идентичной рис. 1.65, а. Поэтому иногда этот контур называют дискриминатором В качестве управителя обычно используются соответствующим образом включенные в контур гетеродина варикапы. Регулирующее напряжение, приложенное к варикапу, изменяет его емкость, а следовательно, и частоту гетеродина.
Частотные характеристики дискриминаторов и управляющие характеристики варикапов обладают некоторой нелинейностью, поэтому для оценки свойств ФАПЧ полезно ввести еще два понятия.
Полоса захвата оценивает способность системы ФАПЧ входить в режим автоподстройки. Другими словами, это полоса частот относительно центральной частоты настройки, в пределах которой входное напряжение на любой частоте вызывает перестройку частоты приемника. За пределами полосы захвата приемник свободно перестраивается.
Полоса удержания характеризует способность системы ФАПЧ сохранять режим слежения. Иначе — это полоса частот, внутри которой изменение частоты выходного сигнала вызывает под действием ФАПЧ соответствующее изменение частоты гетеродина.
Полоса захвата и полоса удержания могут отличаться друг от друга в 3—4 раза. Типичные значения составляют для полосы захвата 300 кГи, для полосы удержания — 950 кГц. Включенная система ФАПЧ может затруднять перестройку приемника (станция будет «тянуться» за поворотом ручки настройки достаточно долго), поэтому во многих моделях радиоприемников предусматривалось отключение ФАПЧ.
Существует еще одна разновидность системы ФАПЧ на основе цифроаналоговой техники, называемая цифровым синтезатором частоты Мы обязательно опробуем такой синтезатор и убедимся, что его использование открывает широкие горизонты для радиолюбителей.
Приложение.
Некоторые сведения, необходимые радиолюбителю при расчете катушек индуктивности
В практической работе по изготовлению УКВ приемников наибольшие трудности вызывают обычно всевозможные катушки ин-дуктивности. И вот почему. Микросхемы, являющиеся серийными ихцслиями, оптимизированы по параметрам и не нуждаются в дополнительных доработках. То же самое можно сказать относительно резисторов, конденсаторов, диодов, варикапов, светодиодов. Выбрав нужный элемент, купив его, радиолюбителю только и остается впаять его на штатное место в печатной плате. Едва ли так гладко получится с индуктивными элементами Представьте себе: сначала надо из великого разнообразия конструкций безошибочно выбрать нужную приобрести или самостоятельно изготовить каркас, обеспечить резьбу для перемещения сердечника, не промахнуться с диаметром провода, рассчитать и намотать нужное количество витков, жестко закрепить обмотку и выводы, настроить катушку. Голова может пойти кругом от обилия операций. Кстати, именно индуктивные элементы являются «камнем преткновения» начинающих радиолюбителей, которые не доводят до конца свои конструкции, испугавшись сложное и технологии изготовления и настройки катушек. Поэтому автор счел крайне необходимым привести некоторые практические сведения касающиеся разработки индуктивных элементов для УКВ-ЧМ радиоприемников.
А. Бескаркасная однослойная ВЧ катушка
Пожалуй, это самый простой вид катушки. Для ее изготовления необходим минимум материалов: кусок трансформаторной проволоки в эмалевой изоляции и круглая оправка нужного диаметра (например сверло). Намотав на оправке нужное количество витков, зачистив выводы кусочком мелкой наждачной бумаги и залудив их, можно впаивать готовую катушку в печатную плату. Однако присущи такой конструкции некоторые недостатки. Во-первых, регулировку индуктивности удастся произвести лишь в небольших пределах, увеличивая расстояние между соседними витками (практики говорят,
что для настройки необходимо «сжимать» или «растягивать» витки Во-вторых, отсутствие жесткого каркаса приводит к тому, что при механических воздействиях (например, в условиях тряски в салоне автомобиля) гетеродинная катушка четко воспринимает эти колебания и модулирует по частоте гетеродинный сигнал Конечно, гул вибрации появится в динамиках. Для борьбы с этим явлением в дешевых радиоприемниках бескаркасные катушки заливают большим количеством парафина. В-третьих, для обеспечения жесткости бескаркасные катушки необходимо устанавливать на печатную плату в горизонтальном положении, по возможности прижимая их к поверхности платы. Вертикально стоящая катушка, конечно, занимает меньше места, но она подобна свободной пружине, что является худшим из двух зол. Впрочем, указанные недостатки не мешают широчайшему использованию бескаркасных катушек индуктивности в промышленных и самодельных приемниках Причина тому — крайняя дешевизна, технологичность изготовления. На рис. 1.66 представлена расчетная модель такой катушки.
Рис. 1 66. Бескаркасная однослойная катушка: dk — диаметр оправки; d„ — диаметр провода, D — расчетный диаметр катушки;
/ — длина катушки
Расчетный диаметр определяется по формуле D = dk + dn
Общая формула для расчета катушки записывается так [19]:
10 2Pw2
В эту формулу D и I необходимо подставлять в см, тогда L получится в микрогенри.
I Если катушка достаточно длинная ( > 5), данная формула пре-
образуется к следующему простому виду:
£ = 10’3Wvv2 .
Таблица 1 6 Значения коэффициента к в зависимости от линейных размеров катушки
IID 20 17 14 13 11 10 9 8 7.7 7 6,7 6,3 5.9 56 5,3 Z1
СО V СО СЛ CD СО in СО О) ь. СО °? С\1 £
к Ел CD СО С) о СО ’tt СЛ S СО I
о с О о“ о О г— т~ ш
В принципе для конструирования индуктивного элемента приведенных сведений достаточно. Во многих книгах, посвященных расчетам электротехнических изделий, приведенной выше формулой ограничиваются. А напрасно! Как правило, в конструктивных расчетах по известной индуктивности мы должны определить размеры катушки, количество витков. Если мы попытаемся выразить «в лоб» из обшей формулы конструктивные параметры, у нас ничего не получится В самом деле, зная диаметр оправки (Jt), диаметр провода (J„), количество витков (w) и длину (Z), проблем с определением индуктивности катушки не возникнет. Но нам нужно по одной только известной индуктивности (£) определить четыре (!) конструктивных параметра. Как быть? Теоретики поступили бы так: задаваясь произвольными значениями, они многократно, с точностью «до сотых», производили бы расчет и «подгоняли» индуктивность к нужной Практики обычно экономят время, поэтому нелишне будет использовать опыт разработки таких изделий и наложить некоторые ограничения. Диаметр оправки разумно выбрать в пределах 4—8 мм Диаметр провода — 0,2—0,6 мм. Слишком тонкий провод для ВЧ ка-тушек не годится, поскольку в нем увеличатся потери и снизится об-
1цая добротность резонансного контура. Слишком толстый тоже лучше не применять, поскольку его диаметр становится соизмеримым с диаметром катушки и заставляет делать поправку в расчетных формулах. С учетом сказанного длина катушки (с небольшим допущением) запишется так:
l = wdn.
Считаем, что витки очень плотно прилегают друг к другу, а толщина изоляции существенно меньше диаметра провода. После подстановки получим
L 10~2Z)2w2
wdn + 0,440
Решая квадратное уравнение, полученное из предыдущей формулы 10-2D2w2 -Ldnw-0,44LD-0,
получаем
Ldn ±^L2d2 + 4-10-4 0,44D3Z.
W' 2 “ 10'2£>2
Анализируя полученное соотношение, нетрудно заметить, что корень, полученный при условии действия знака «-», в любых условиях отрицателен, поэтому не имеет физического смысла. Но и оставшийся корень, с помощью которого возможно определить витки, достаточно громоздкий. Давайте вместе упростим эту формулу. Если взглянуть на выражение, стоящее под знаком корня, то можно увидеть, что при условии
L2d2 » 1,76-10^£>3£
формула для расчета количества витков значительно упростится:
Каковы границы применимости этой формулы? Для выяснения этого вопроса учтем, что знак «много больше» означает преобладание одной величины над другой по крайней мере на порядок, то есть в 10 раз:
Ud; >1,76 10 3Г>3£
или иначе
L> 1,76 10'3 — dn
Рассчитывая число витков катушки, следует поступать так:
• задаться параметрами d„, D, Г,
• проверить применимость упрощенной формулы для расчета количества витков;
• при необходимости увеличить диаметр провода, уменьшить диаметр оправки;
• рассчитать количество витков.
Как уже было сказано, бескаркасные однослойные катушки настраиваются растяжением и сжатием витков. Приблизительно оценить диапазон перестройки поможет следующая формула:
(\
In —-0,9 ,
где р — шаг намотки, см (рис. 1.67);
Л Л — поправка на индуктивность, мкГн.
Индуктивность катушки в данном случае найдется по формуле
4 =£-Д£.
Проведя расчет, можно убедиться, что диапазон перестройки катушки с помощью растяжения витков незначителен. Поэтому при
Рис. 1.67. К расчету влияния растяжения и сжатия витков
проектировании катушки считайте поточнее ее конструктивные параметры. Но даже если вы ошибетесь, особой беды не случится. Как правило, изготовить новую катушку удается быстро.
Довольно часто в книгах и журналах можно встретить рекомендацию наматывать ВЧ катушку посеребренным проводом для повышения ее добротности. Дело в том, что из-за наличия в проводнике эффекта вытеснения ВЧ токов на поверхность провода, ток протекает только в тонком приграничном слое. Задача серебрения — обеспечить минимально возможное сопротивление протеканию тока. Если в вашем распоряжении окажется специальный посеребреный провод, советую его использовать. Если такой провод найти не удастся, вполне сгодится и обычный, смотанный, например, с отслужившего свое трансформатора. Уверяю вас, особой разницы вы не заметите.
Б. Многослойная катушка без сердечника
Такой вид катушек в УКВ приемниках вы встретите крайне редко. И тем не менее рассмотрим основные соотношения для ее расчета.
Рис. 1 68. Многослойная катушка без сердечника
Общая формула для расчета многослойных цилиндрических катушек без сердечника
8 10 2уу2£>2 3D2 + 9l+Wh’
где L — индуктивность катушки, мкГн;
D — средний диаметр, см;
I — длина намотки, см,
h — радиальная ширина намотки, см.
, dH+DK
h = —---D = —---------•
2 2
Конструктивный расчет такой катушки по сравнению с однослойной еще сложнее. Поэтому необходимо сделать некоторые практические допущения. Считаем, что катушка равномерно заполнена проводом, то есть не имеет неполных слоев. Тогда расчетные значения величин запишутся следующим образом:
wd2 wd~
h = D = dK+—^-
С учетом приведенных допущений индуктивность многослойной катушки вычисляется так:
, , wd2
8-10 2vv2 J+ ’
I I
3 < +^- +9/+10 I
1 J
wd2 ~Г
«Ничуть не легче», — скажете вы. Согласен. Если раскрыть это выражение относительно числа витков, то окажется, что нам придется решать уравнение 4-й степени. Задачка окажется сложноватой для радиолюбителя: ведь для ее решения необходимо воспользоваться приближенными численными методами, реализуемыми на компьютере. На практике (что касается большинства случаев) можно считать, что намотка катушки осуществлена тонким проводом и занимает не более 1/10 диаметра каркаса. Такую катушку называют «тонкой многослойной». Ее индуктивность можно найти по упрощенной формуле
8 10‘2<w2 L =--------------
I0W2
3,3rf + 91 +—T-5-I
Решая относительно количества витков w квадратное уравнение: 8- 10-2<w2 -12^w-L-(33dK +9Z) = 0,
мы получим
10rf2L ---—+
1 "N
+ 4-8-10*2<(3,3< + 97)£
I 1 )
2-810’Х
Физический смысл имеет только положительное значение витков, полученное из этой формулы. Однако и в таком виде пользоваться формулой неудобно. Поэтому учтем еще одно допущение, касающееся диаметра провода намотки. Считаем, что диаметр проводника много меньше диаметра катушки. С учетом этого рабочая формула для расчета тонкой многослойной катушки
w = 3,5.
3,3< +9/
~1Г
Пользоваться упрощенной формулой намного удобнее.
В. Катушка на цилиндрическом ферритовом сердечнике
Использование ферритового сердечника для намотки катушки обусловлено желанием увеличить ее индуктивность без увеличения числа витков. Из сказанного выше следует, что индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа витков Это означает, что при необходимости увеличить индуктивность в 9 раз мы вынуждены будем намотать в 3 раза больше витков. Обойтись без домотки витков позволяют катушки с ферромагнитными сердечниками.
Катушки на замкнутых магнитопроводах используются в области силовой техники, в низкочастотных схемах. В УКВ приемниках вы встретите их разве что в фильтрах сетевых помех, и то едва ли. Приемники потребляют очень мало электрической энергии, и для фильтрации сетевых пульсаций обычно достаточно электролитического конденсатора большой емкости. Широкое распространение в радиоприемных устройствах получили катушки на разомкнутых магнитопроводах, или, как еще говорят, с ферромагнитными сердеч никами. Классический пример такой катушки- односекционный или
многосекционный полистироловый каркас с резьбовой втулкой для сердечника, на который намотан тонкий провод. Резьбовой сердечник перемещается в катушке при помощи отвертки. Такие катушки есть и в ВЧ трактах, и в ПЧ, и в составе частотных детекторов. Рассмотрим подробнее расчет таких индуктивных элементов.
Как показывает практика, в такой катушке можно не учитывать высоту намотки. Естественно, что она должна находиться в разумных пределах, то есть не превышать удвоенный диаметр сердечника. В основном индуктивность катушки зависит от соотношения размеров у, и ^у, , что отражено на рис. 1.69. Еще один немаловажный момент: разные сердечники обладают разной магнитной проницаемостью, и расчетные соотношения для определения конструктивных параметров получаются разными Для катушек в трактах УКВ диапазона используется в основном феррит марки 100НН с относительной магнитной проницаемостью цг = 100. Другой возможный вариант, изготовление катушек преселектора и гетеродина на основе ферритов 13ВЧ или 9ВЧ. Расчеты ведутся при симметричном расположении сердечника в катушке. Возможны два случая:
1. При соотношении у, , близком к 1:
/ ‘d
г 5ц0 2 < рг
£ =----уV----------------’
2л 1С 1 + ^(цг-1)
где ц0 — магнитная постоянная (4л-10-7 Гп/м);
Nx — коэффициент формы сердечника (определяется по табл. 1.7);
Рис. 1.69. Катушка с цилиндрическим сердечником
Таблица 1.7
/‘с 1.0 1.5 2.0 10 20 30
27,0 20,6 14,0 1.72 0,62 0,28
2. При соотношении /у более 8—-10 можно воспользоваться уп-рошенной формулой:
£ = pow2<(0,75- + 0,3).
d
Внимание! Применять эту формулу для расчета катушек на основе ферритов 1ЗВЧ и 9ВЧ нельзя. Поэтому используйте ее для феррита 100НН.
Г. Броневые катушки с зазорами
На практике могут встретиться не только катушки на классических стержневых сердечниках, но еще и другие, не менее важные конструкции. Катушка, изображенная на рис. 1.70, очень похожа на известную броневую конструкцию. Отличие состоит в том, что маг-нитпровод ее незамкнут — в центре предусматривается резьбовая втулка, по которой перемещается цилиндрический сердечник. Наружный кожух состоит из двух стаканов. Проницаемость ферромагнитного материала должна быть высокой, тогда индуктивность можно вычислять по формуле:
Несмотря па то, что формула выглядит устрашающе, вычислить отсюда количество витков очень просто. Все величины, стоящие в скобках, известны.
Недавно в продаже появились отечественные катушки индуктивности с одиночным стаканом (ЖеО 075.020 ТУ). Конструкция таких катушек схематически представлена на рис 1.71.
Рис. 1.71. Модификация броневой конструкции
В этом случае рекомендуется преобразовать расчетную модель катушки к виду, изображенному на рис. 1.70, вычислив эквивалентный зазор:
х б'+б2
о =-----
2
Д. Катушки в экранах и с немагнитными сердечниками
Немагнитные сердечники (например, изготовленные из меди или латуни) используются в высокочастотных катушках для подстройки их индуктивности в случае, если ее необходимо снижать. Экранирование применяют для повышения помехозащищенности схемы от внешних электромагнитных полей, а также для снижения ее собственных полей Нужно заметить, что небольшие экраны, сравнимые с величиной катушек, также снижают индуктивность последних И если введением немагнитного сердечника мы сами добиваемся эффек-Та снижения индуктивности, то при экранировании это становится Неизбежным фактом
Экран и немагнитный сердечник могут рассматриваться как короткозамкнутый виток, индуктивно связанный с катушкой и вносящий в нее потери Поэтому добротность катушки (а следовательно, и резонансного контура) несколько снижается. В наши планы не входит подробный рассказ о добротности, остановимся только на оценке изменения индуктивности. Оказывается, что для расчета экранированных катушек и катушек с немагнитными сердечниками могут быть использованы одни и те же соотношения. Однако точные формулы сложны. Для практических расчетов удобнее использовать приближенные соотношения. Оговоримся, что они были выведены для случая круглого экрана. Если экран квадратный, то в формулы нужно подставлять эквивалентный диаметр, равный 1,2а, где a — длина стороны квадрата. Расстояние между краем намотки и дном экрана должно быть не меньше, чем диаметр катушки. Аналогичное допущение необходимо сделать для немагнитного сердечника. Его длина должна быть больше длины намотки по крайней мере на величину диаметра катушки.
Изменение индуктивности приближенно оценивается по формуле
&L = -Lk,
где L — индуктивность пеэкранированной катушки (катушки без сердечника);
к — коэффициент изменения индуктивности.
Для однослойных и тонких многослойных катушек:
где dk — диаметр катушки;
d3 — диаметр экрана (сердечника);
/ — длина катушки;
/э — высота экрана (длина сердечника).
Знак «+» используется в расчетах влияния экранов, знак «-» -для сердечников.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Практические конструкции
2.1. Ваш первый радиоприемник
Как вы думаете, когда у радиолюбителя наступает самый волнующий момент? Правильно: когда конструкция собрана, подпаяны провода питания, остается только включить ее. Заработает или не заработает? Бывалые «электронщики» не без основания любят повторять «Если начало работать сразу, что-то здесь не так». Действительно, порой отладка отнимает уйму душевных и умственных сил. Однако самые первые радиолюбительские поделки должны сразу подавать хоть какие-то осязаемые признаки жизни. От этого в огромной степени зависит радиолюбительское вдохновение, желание во что бы то ни стало продолжать начатые эксперименты Часто, промучившись с собранной конструкцией, по так и не «оживив» ее, начинающий радиолюбитель принимает решение никогда не связываться с подобными вещами. Конструирование УКВ приемников требует определенного навыка, пусть небольшого, но все же опыта. Чтобы не оттолкнуть читателя от этой интереснейшей области, автор предлагает вначале изготовить простенький громкоговорящий УКВ приемник. Несмотря на то что для его сборки потребуется пара десятков элементов, он обеспечивает довольно высокие потребительские параметры.
Основой приемника служит микросхема К174ХА34АМ (зарубежный аналог TDA7021). Предельная простота схемотехнического решения, высокая повторяемость и надежность сделали этот приемник чрезвычайно популярным у радиолюбительской братии Ни один радиолюбительский журнал не обошел его стороной, опубликовав в Разное время несколько схемотехнических решений, впрочем не слишком отличающихся друг от друга. То же самое происходит и на Радиолюбительских страницах во всемирной сети Интернет. Торговцы, делающие свой небольшой бизнес на радиолюбительских рып-
ках, быстро освоили «мелкосерийное» производство готовых настро енных плат. Надо сказать, торговля идет бойко.
Казалось бы, о данном приемнике сказано столько, что трудно что-то прибавить к этому И все же попытаемся узнать нечто новое Действительно, если проанализировать спектр статей по однокристальному приемнику, то окажется, что все они построены по принципу: «Купите, впаяйте, настройте, наслаждайтесь музыкой». Ни слова о том, почему схема получается столь простой, но, несмотря на это, отлично работающей. Итак, прежде чем отправиться в магазин за микросхемой, давайте попробуем разобраться в принципе ее работы.
В теоретической части уже встречалось упоминание о гетеродинном приеме как о способе непосредственного перенесения спектра радиочастоты в область звуковых частот. Однако читатель удивится, если узнает, что в некоторых разновидностях гетеродинных приемников промежуточная частота все же имеется. Противоречия здесь нет. Известный авторитет в области гетеродинного приема В. Т. Поляков [6] называет этот способ асинхронно-гетеродинным, поскольку в схеме приемника, построенного по такому принципу, ие предусматривается синхронизации частоты гетеродина с частотой несущей принимаемого сигнала. Главное отличие здесь в том, что селекция по промежуточной частоте осуществляется не полосовым фильтром, а ФНЧ.
Рассмотрим укрупненную структурную схему, описывающую работу приемников такого типа (рис. 2.1).
Входной сигнал поступает с антенного выхода на вход предварительного усилителя А1, который имеет в своем составе широкополосный резонансный контур, а зачастую вообще может его не иметь. Далее в смесителе U1 происходит преобразование частоты с помощью гетеродина G1. На выходе смесителя U1 имеются суммарная и разностная составляющая обоих сигналов (читатели, ознакомившиеся с теоретическими сведениями о радиоприеме, уже отлично знают, почему так происходит). Селекция осуществляется с помощью фильтра низкой частоты ФНЧ Z1. Обратите внимание для преобразования выбрана очень низкая промежуточная частота — всего 76 кГц Однако только в таком случае селекция осуществляется обычным RC фильтром, отсекающим суммарную составляющую
Очевидны достоинства промежуточного RC фильтра: отпадает необходимость в классическом или пьезокерамическом ФСС, фильтр одновременно используется как усилитель с коэффициентом до 100 дБ, не требует настройки и не возбуждается Далее усиленный и отфильтрованный сигнал детектируется частотным детектором U2, который может быть построен по-разному, например, с помощью рассмотренной нами двойной балансной квадратурной схемы. Фильтр Z2 — это еще один ФНЧ, но служащий, во-первых, для выделения частот звукового диапазона, а во-вторых, устраняющий самовозбуждение по петле ФАПЧ. В петлю фазовой автоподстройки частоты входит ГУН G1, подстраиваемый в полосе удержания варикапами. Интересно отметить, что в описываемых микросхемах петля ФАПЧ — встроенная. Встроены даже варикапы, выполняющие роль управителя.
Значительным недостатком такого приемника является наличие зеркального канала, отстоящего от частоты приема па 152 кГц. Как мы знаем, в супергетеродинном приемнике с зеркальным каналом принято бороться введением хорошего перестраиваемого по частоте преселектора Здесь же, в условиях низкой ПЧ, введение преселектора попросту бессмысленно. Как ни пытайся, мы все равно не сможем простыми средствами обеспечить требуемую селективность на ВЧ. А наличие на входе широкополосного неперестраиваемого контура скорее вызвано желанием снизить внеполосные помехи Для борьбы с зеркальным каналом здесь необходимо использовать специальные Фазовые методы. Смеситель в таком случае строится по особой схе
ме, которая «различает», в каком канале ведется прием, и в зависимости от этого либо пропускает, либо «давит» его. Конечно, на радиовещательных диапазонах при использовании описываемой схемы обходятся без фазовых методов, то есть мирятся с наличием зеркального капала, благо разноса частот вещающих радиостанций достаточно.
Первой освоила промышленное производство микросхем фирма «Филипс» в 80-х годах, в середине 90-х годов появился отечественный аналог, быстро завоевавший популярность у радиолюбителей. Надо сказать, предтечей TDA7021 является микросхема той же фирмы TDA7010, менее удачная с точки зрения удобства использования и наличия вспомогательных функций. Вывод подключения конденсатора, формирующего требуемую дискриминационную характеристику частотного детектора, у этой микросхемы был выведен наружу. Более того, в ней отсутствовал индикатор точной настройки на принимаемую станцию. Чуть позже, с выходом TDA7021, положение исправили конденсатор был встроен внутрь микросхемы, а освободившаяся «ножка» стала давать сигнал точной настройки. В остальном микросхемы похожи друг на друга, как близнецы, поэтому мы не будем останавливаться на описании TDA7010. При необходимости разобраться, имея описание TDA7021, сделать это можно будет за пять минут.
Собственно, вся необходимая для конструирования информация содержится в работах [21, 22]. И тем не менее приведем необходимые сведения с комментариями. В предуведомлении сказано, что TDA7021 — это функционально-закопченная микросхема для разработки малогабаритных монофонических и стереофонических приемников УКВ диапазона с минимальным количеством внешних деталей и низкой стоимостью. Селективность приемника обеспечивается активными RC фильтрами, межстанционный шум подавляется системой корреляции. В микросхеме приняты специальные меры по снижению уровня излучения гетеродина. Имеющийся в составе усилитель НЧ возможно использовать для работы на головной телефон (в монофоническом режиме). Структурная схема приведена на рис. 2.2 Чуть позже мы остановимся па ее особенностях, а сейчас приведем назначения выводов и основные технические характеристики микросхемы.
Рис 2 2 Структурная схема TDA7021 (КР174ХА34АМ). Жирной линией показан путь прохождения основного сигнала
Таблица 2 1 Назначение вь водов
Вывод фильтра низком частоты
2
3
4
Вывод фильтра низкой частоты
Общий вывод
Питание
5
6
Вывод подключения контура гетеродина
Вывод подключения блокировочного конденсатора
7 Вывод первого фильтра ПЧ
8 Вывод первого фильтра ПЧ
9 Индикатор точной настройки
10
11
Вывод второго фильтра ПЧ
Вывод второго фильтра ПЧ
12 Антенный вход ВЧ
13 Вывод подключения блокировочного конденсатора
14 Выход усилителя звуковой частоты
15 Вход обратной связи УНЧ
16 Вывод подключения блокировочного конденсатора
Таблица 2.2. Основные технические характеристики
Параметр технических условий Мин Норма Макс. Ед. изм.
Напряжение питания 1.8 — 6,0 В
Ток потребления — 6,3 — мА
Диапазон входных частот 1,5 — 110 МГц
Постоянное напряжение на выводе 14 — 1,3 — В
Чувствительность (EMF):
максимальная (сигнал/шум 3 дБ) — 5,0 — мкВ
реальная (сигнал/шум 26 дБ, моно) — 7.0 —
реальная (сигнал/шум 26 дБ. стерео) — 11,0 —
Общие гармонические искажения на выходе (total harmonic distortion) Д/= 75 кГц — 2,3 — %
Подавление паразитной АМ
AM: fm = 1 кГц, m = 0,8 ЧМ: fm = 1 кГц, Af = 75 кГц — 50 — ДБ
Селективность при расстройках ±300 кГц:
S.30O (моно) — 46
S-300 (моно) — 30 ДБ
S.3oo (стерео) — 40
S-зоо (стерео) — 22
Ширина полосы пропускания фильтра ПЧ — 120 — кГц
Отношение «сигнал/шум» на выходе НЧ:
в монорежиме — 60 — —
в стереорежиме — 50
Выходное напряжение УНЧ — 90 — мВ
Температурный дрейф частоты гетеродина — 5 — кГцГС
Настройка приемника на принимаемую станцию осуществляется подключенным к выводу 5 резонансным контуром. Управление частотой гетеродина может осуществляться либо конденсатором переменной емкости (КПЕ) либо (что встречается гораздо чаще) варикапами. Как уже было сказано ранее, головной телефон можно непо-
Рис. 2.3. Зависимость выходного напряжения на выводе «9» (индикатор точной I настройки) от величины входного напряжения несущей частоты в условиях величины питающего напряжения 3 В
средственно подключать к выводу 14. Важно лишь соблюсти условие нагружения выходного каскада, согласно которому сопротивление нагрузки не должно быть ниже 100 Ом Вывод 16 вообще можно оставить свободным, однако тогда уменьшится амплитуда выходного напряжения. К выводу 2 обычно подключается цепь управления бесшумной настройкой, состоящая, согласно рис 2.2, из выключателя, конденсатора и резистора номиналом 10 кОм Конденсатор необходим для плавного перехода из режима подавления в режим приема и обратно. При подключении резистора бесшумная настройка отключается, появляются межстанционные шумы и побочные каналы приема. Однако, как утверждают разработчики, немного повышается чувствительность приемника.
Разберемся, как работает бесшумная настройка. Структурная схема БШН показана на рис. 2.4.
Частотный детектор, описанный в разд. 1.6, особенностей не имеет, его работа понятна читателю. Кривая, характеризующая зависимость выходного напряжения частотного детектора от фазового сдвига, показана на рис. 2.5 линией «1». Частотный детектор является частью системы БШН, однако, кроме него, в состав системы входит второй канал, построенный по идентичной двойной квадратур ной балансной схеме. Этот канал назван разработчиками коррелятором. Аналогичная кривая для коррелятора показана на рис. 2 5 пинией «2» Коррелятор настраивается таким образом, чтобы на частоте несущей, где фазовый сдвиг на выходе фазовращателя U1 со-
Рис. 2 4. Структурная схема БШН
Микросхема выпускается в двух исполнениях Импортная имеет [6-выводпой планарный корпус SOT109-1 с шагом 1,27 мм Отечественная изготавливается в классическом корпусе DIP 16 с шагом ?5 мм Первые партии микросхем выпускались в 18-выводном корпусе, поэтому нс исключено, что на радиолюбительском рынке читателю предложат приобрести именно такой вариант из старых запасов- Различие в новом и старом варианте невелико Выводы с 1 по 8 у обоих совпадают, вывод 9 (16-выводной корпус) соответствует выводу 11 (18-выводной), 10 — 12, 11— 13, 12 — 14, 13 — 15, 14 — 16, 15 — 17,16 — 18. Собственно, и все отличия.
ю
Рис. 2.5. График, поясняющий работу схемы БШН
ставляет 90°, фазовый сдвиг на выходе фазовращателя U2 составлял 180°. Нетрудно заметить, что на этой частоте напряжение на выходе коррелятора минимально Поэтому проще всего, выделив предварительно посредством фильтрации постоянную составляющую, установить на выходе коррелятора элементарный компаратор с напряжением Unop, который будет разрешать прохождение звукового сигнала в случае совпадения несущей с частотой настройки или блокировать выход при межстанционной настройке. Отключение системы БШН происходит тогда, когда принудительно (при помощи резистора) выходной сигнал коррелятора делают меньше порогового уровня для любой настройки.
“1 П П П, П П Е1 В9
Ту у ^iu uw
Рис. 2.6. Корпус SOT 109-1
Приступим к изготовлению приемника. Принципиальная электрическая схема изображена на рис. 2.7 Входной контур представ-лен элементами LI, С13, С14 Антенна WA1 — кусок монтажного провода длиной 30—40 мм. Частотозадающие элементы гетеродина катушка индуктивности L2, разделительный конденсатор С4 и варикап VD1. Настройка осуществляется с помощью переменного многооборотного резистора R2 Его полное сопротивление некритично и Может быть в пределах от 22 до 100 кОм Важным элементом гетеродина является конденсатор С5. Располагать его необходимо как можно ближе к основным гетеродинным элементам, так как через него замыкается этот контур На транзисторах VT1 и VT2 построен индикатор точной настройки. О том, что приемник настроен на частоту |Ганции, свидетельствует яркое свечение светодио; a HL1 Согласи
тесь, гораздо удобнее судить о настройке по зажиганию индикатора а не по пропаданию его свечения. В данной конструкции не пре сматривастся наличие выключателя системы бесшумной настройки Однако при желании вы сможете без труда ввести цепь отключения согласно рекомендациям, приведенным выше.
Рис. 2.7. Принципиальная схема приемника на TDA7021
Микросхема TDA7050 (на схеме обозначена как DA2) — это усилитель низкой частоты (УНЧ), работающий на динамическую головку 0,25ГДШ 2 с сопротивлением 50 Ом Особенностью этого УНЧ является низкое напряжение питания (от 1,8 до 6,0 В) и отсутствие необходимости подключения дополнительных элементов, только регулятор громкости и динамик. Микросхема может быть использована как в монофоническом, так и в стереофоническом вариантах включения Монофонический вариант — это мостовое вклю*
чение ее каналов. Технические условия не рекомендуют подключать в монорежиме динамики с сопротивлением ниже 32 Ом. Тем не менее широко распространенные динамические головки с сопротивлением 8 Ом (0,5ГДШ-1, 0,5ГДШ-2, 0,25ГДШ-3) вполне допустимо подключать к микросхеме. Необходимо лишь снизить уровень входного сигнала, увеличив сопротивление резистора R5 с 5,1 до 22 кОм. Впрочем, в наши планы не входит подробный рассказ о возможностях TDA7050. Советую взять на заметку, что имеется такая удобная и недорогая микросхема, при случае она вас выручит не раз. Запомните также, что не рекомендуется превышать ее питающее напряжение более 5 В, так как вероятность выхода из строя УНЧ резко повышается
Печатная плата приемника показана на рис. 2.8, а. Она выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (или гети-накса). Правильно собрать приемник поможет рис. 2.8, б. В авторской конструкции применяются постоянные резисторы МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25, взятые из 5-процентного ряда. Впрочем, подойдут и другие, имеющиеся у читателя в наличии Переменный резистор R2 — типа СПЗ-36 (многооборотный), R8 — любой подходящих размеров, желательно совмещенный с выключателем питания. Автор использовал классический вариант с белым рифленым колесиком-ручкой. Конденсаторы типа К10-17, КД-2 или другие мачога аритные лек-тролитические конденсаторы типа К50-35, К50-68. Неплохой альтернативный вариант представляют собой импортные конденсаторы фирмы «Хитано», отличающиеся небольшими габаритами и красивой полиэтиленовой оболочкой. Вместо варикапа КВ109Г можно использовать КВ109В или импортный ВВ910. Катушки L1 и L2 — бескаркасные, намотанные на оправке диаметром 5 мм изолированным проводом ПЭВ-2. Диаметр провода в пределах 0,5—0,7 мм. Количество витков: L1 — 12, L2 — 7. После намотки чуть-чуть растяните катушки для последующей настройки.
Налаживание приемника осуществляют в следующем порядке. Первое включение питания производят без установленных на плату резистора R3 и конденсатора С18. Поставив резистор R8 в среднее Положение, нужно дотронуться до верхнего (по схеме) вывода этого резистора Если УНЧ работоспособен, в динамике будет слышен фон Переменного тока (специалисты говорят, что усилитель «фонит»).
55
а)
+илит ------
б)
Рис. 2.8. a — печатная плата; б — монтажный рисунок
Далее отключают питание и устанавливают недостающие элементы. Кроме того, с помощью дополнительного резистора сопротивлением 10 кОм замыкают выводы конденсатора С9, временно отключая систему БШН. После включения питания в динамической головке должно прослушиваться характерное шипение или звуки радиостанции, если настройка приемника случайно попала на ее частоту. Выкрутив резистор R2 в одно из крайних положений, следует сжатием и растяжением витков катушки L2 добиться приема крайней («верхней» или «нижней») радиостанции диапазона 88—108 МГц. Конечно, проще эту работу выполнить с помощью ВЧ генератора, но в радиолюби-
ж-------------------
тельской лаборатории его, как правило, нет, поэтому приходится настраивать приемник по эфиру. Удобнее всего контролировать радиостанцию по промышленному приемнику, добиваясь совпадения передач Наиболее типичная ситуация при настройке — «обрезание» части радиостанций на одном из краев Если после проведенной настройки сжатием-растяжением витков все равно не хватает «хода» резистора R2, следует отмотать или домотать виток катушки L2 и повторить настройку. В заключение отпаяйте резистор от выводов конденсатора С9. Пожалуй, вот и вся премудрость настройки такого приемника. Если вы используете для сборки исправные детали, аккуратно распаяете их на печатной плате, не перепутав местами, то приемник обязательно будет работать. Изготовьте для него корпус (или подберите подходящий из готовых). На этом работу над первым УКВ приемником можно завершить. Питание его можно организовать как от гальванических элементов и аккумуляторов, так и от сетевого источника питания. Помните, что вы моментально выведете приемник из строя, подав на него напряжение более 6 В
Этот приемник легко превратить в стереофонический, немного изменив номиналы некоторых радиоэлементов и добавив новые, как показано на рис. 2.9. Конечно, потребуется использовать стереодекодер и двухканальный УНЧ. Можно использовать любой декодер, построенный по системе с пилот-тоном, описанный в этой книге. Однако лучший — низковольтный — вариант получится, если вы используете микросхему TDA7040T.
Рис. 2.9 К модернизации приемника в стереофонический вариант
Перестроить приемник на отечественный диапазон также несложно. Для этого необходимо к обоим катушкам домотать по три витка. Можно также ввести в схему переключатель и получить двух-ДИапазонный вариант.
Автор надеется, что читатель собственноручно убедился в простоте сборки и настройки этого приемника. Есть, конечно, у него ц недостатки, один из которых (конструктивный) заключается в необходимости иметь многооборотный переменный резистор. Как показывает практика, классические «многооборотники» имеют вытянутую форму и занимают достаточно много места. Компактные же, имеющие внутри червячный редуктор, дорогостоящи Конечно, радиолюбителю под силу приобрести «червячный» резистор, но, когда речь идет о промышленном производстве, проблема везает остро. «А если использовать обычный резистор9» — спросит читатель. П -пробуйте, и вы почувствуете, что в этом случае настроиться на станцию удается с трех-четырех попыток. Более того, едва корпус приемника, имеющего однооборотный резистор настройки, стукнется о что-то твердое, как настройка сбивается. Учитывая вышеперечисленные недостатки, конструкторы разработали усовершенствованный вариант приемника, в котором настройка осуществляется исключительно с помощью кнопок.
Возможно, кто-то из читателей помнит, как в продаже появились миниатюрные (в два спичечных коробка) дешевые приемники, имеющие колесико настройки и колесико регулировки громкости. Позже к ним добавились такие же приемники, однако имеющие две кнопки настройки. Обе разновидности изготавливаются, как правило, в Китае и, как видится автору, будут еще долго продаваться па вещевых рынках и развалах России. Если у читателя есть желание, можно самостоятельно изготовить двухкпопочный приемник, взяв за основу микросхему TDA7088t разработки фирмы «Филипс» Разработчики относят ее к классу карманных миниатюрных приемников, содержащих все необходимые для монофонического радиоприема узлы. Принцип действия TDA7088t в целом аналогичен принципу действия TDA7021 с той лишь разницей, что в состав микросхемы введен узел электронной настройки. Настройка осуществляется следующим образом:
кнопка reset «сбрасывает» настройку в начало диапазона;
— кнопка run сканирует диапазон.
Приведем основные технические данные и схему включения (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Приемник иа микросхеме TDA7088t
Выход НЧ
Таблица 2.3 Назначение выводов TDA7088I
1 Вывод отключения БШН ”” ~
2 Выход сигнала звуковой частоты -
3 Вывод подключения блокировочного конденсатора
4 Питание
5 Вывод подключения контура гетеродина ——
6 Вывод первого фильтра ПЧ
7 Вывод первого фильтра ПЧ
8 Выход усилителя ПЧ - _
9 Вывод (ограничителя/второго фильтра) ПЧ
10 Вывод (ограничителя/второго фильтра) ПЧ
11 Вход радиочастоты
12 Вход радиочастоты
13 Вывод подключения блокировочного конденсатора
14 Общий
15 Вывод кнопки RUN
16 Сигнал настройки/вывод кнопки RESET
Таблица 2 4 Основные ехнические характеристики TDA7088I
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед. изм
Напряжение питания 1,8 3 5 В
Ток потребления 4.2 52 6,6 мА
Чувствительность максимальная (сигнал/шум 3 дБ) реальная (сигнал/шум 26 дБ) 3 5 6 10 мкВ
Общие гармонические искажения (THD) — 24 — %
Подавление паразитной AM AM: fm = 1 кГц, m = 0,8 ЧМ fm = 1 кГц Af = 75 кГц 47 52 — ДБ
Минимальное напряжение на выводе 16 — UnKi — — В
Скорость изменения напряжения на выводе 16 95 210 420 МГц/В
Скорость изменения частоты настройки 1,25 2,83 5.6 МГц/с
Диапазон принимаемых частот 0.5 110 МГц
Интересно отметить, что при отключенной бесшумной настройке цувствительность приемника немного повышается. Это можно видеть из рис. 2.11. Заметьте также, что в угоду упрощению конструкции разработчики отказались от индикатора точной настройки. Для усиления выходного низкочастотного сигнала рекомендуется использовать уже знакомую TDA7050.
Рис. 2.11. График отношения шум/сигнал для включенной и выключенной БШН
Вы можете смонтировать приемник навесным монтажом или самостоятельно разработать несложную печатную плату. А нам пора Двигаться дальше Но прежде чем перейти к изготовлению супергетеродинных УКВ приемников, разберемся, каким основным параметром характеризуется качество воспроизведения звука той или иной аудиоаппаратурой. Традиционно требовательный слушатель большое внимание уделяет оценке с точки зрения коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник) Другими словами этот параметр назван THD — total harmonic distortion (общие гармонические искажения). Измеряется коэффициент гармоник предельно Просто На вход аппаратуры подается неискаженное гармоническое колебание, а на выходе измеряется «вес» гармоник, кратных входной
частоте. Отнесенные к «весу» входного сигнала, они характеризуют нелинейность тракта звуковоспроизведения. Почему появляются кратные гармоники на выходе, когда на входе их нет? Помните, когда мы рассматривали смеситель приемника, то говорили о том, что для преобразования частоты сигналов принципиально необходима нелинейность его тракта. УНЧ также обладают нелинейностью, однако здесь с ней борются, поскольку она вносит ненужные искажения Кстати, интересно отметить, что идеальная передача звукового сигнала не гарантирует, что такой звук понравится слушателю. Оказывается, слуховой аппарат человека тоже обладает нелинейностью. Исследования показали, что если на барабанную перепонку воздействовать чисто гармоническим сигналом, то человек воспримет не только чистый тон, но и его гармоники, рожденные в «недрах» слухового аппарата. Еще более интересное предположение, сделанное элсктроакустиками, гласит, что звук частотой менее 100 Гц ощущается человеком нс как звук основной гармоники, но только по наличию высших гармонических составляющих. В данном случае это восприятие называется субъективным. С помощью теории субъективных гармоник в какой-то мере может проясниться, из-за чего столько времени «сражаются» сторонники высококачественной усилительной техники, построенной на основе транзисторов и электронных ламп. Парадоксально, но ламповые УНЧ, обладающие достаточно высоким коэффициентом нелинейных искажений, пользуются большей популярностью у искушенных слушателей, нежели транзисторные. Здесь нам необходимо учитывать, что нелинейные искажения зависят от частоты, а у ламповой техники эта зависимость более благоприятна для слуха, нежели у транзисторной... Впрочем, это уже тонкости электроакустики.
Современные стандарты нормируют для трактов класса Hi—Fi коэффициент гармоник не более 0,7% И вот здесь нужно сказать о том, каким поразительно точным «прибором» является человеческое ухо! Вдумайтесь: гармонические искажения более 0,1% среднестати стическое ухо уже в состоянии отличить, сравнивая искаженный сигнал с неискаженным. Чего уж говорить о «музыкальном» ухе... Почему же аппаратура высокого класса заведомо (в 7 раз) хуже по этому параметру? Дело в том, что реальные сигналы намного сложнее Только тогда, когда тракт звуковоспроизведения будет обладать
средним коэффициентом гармоник порядка 1%, мы станем явно замечать искажение музыки или речевого сигнала в виде «позвякиваний» и «похрипываний». Естественно, оценивать тракт по усредненным величинам достаточно грубое занятие, ио на практике очень удобно приблизительно прогнозировать ожидаемые акустические характеристики именно так. Как мы убедились, и теоретически и практически, указываемые в технических условиях THD на простенькие карманные приемники вполне удовлетворят большинство слуи ателей.
Вас не утомил это раздел? Если пет, тогда возьмемся за супергетеродинный приемник.
2.2. Супергетеродинный УКВ приемник
Попробовав свои силы в изготовлении несложной конструкции, требующей минимум усилий, теперь вы в состоянии взяться за самый настоящий высококачественный супергетеродинный приемник Оговорюсь сразу: в этом разделе описано несколько конструкций примерно одинаковой сложности, построенных с применением разных методов управления настройкой и разных микросборок. Такое многообразие неслучайно- во всех случаях читатель наверняка сможет найти хотя бы одно наименование из описанных в этом разделе микросхем.
Если говорить о всей номенклатуре микросхем, использующихся в производстве современных магнитол, радиоприемников, музыкальных центров, то едва ли возможно привести все возможные схемы включения, настолько их много. Учитывая это обстоятельство, для самостоятельного изготовления УКВ приемчика автором были выбраны наиболее доступные технически и наиболее распространенные варианты Для них приведены не только схемы включения, но также и основные справочные данные, позволяющие радиолюбителю получше разобраться в особенностях построения реальных УКВ приемников. '
Рассмотрим монофонический вариант радиоприемника, реализованный на микросхеме ТА8164Р производства фирмы «Тошиба». В составе этой микросхемы имеется как тракт приема УКВ-ЧМ сиг
налов, так и тракт, относящийся к АМ радиоприемникам. Переключение осуществляется электронным способом. Впрочем, АМ тракт мы не будем задействовать в схемах, приведенных в этой книге.
Основные технические характеристики микросхемы ТА8164Р приведены в табл. 2.6, а назначение выводов — в табл. 2.5
Таблица 2.5. Назначение выводов ТА8164Р
1 Вход радиочастоты ЧМ
2 Общий ВЧ тракта
3 Выход смесителя тракта ЧМ
4 Выход смесителя тракта АМ
5 Вывод подключения конденсатора АРУ
6 Питание
7 Вход усилителя ПЧ АМ тракта
8 Вход усилителя ПЧ ЧМ тракта
9 Общий ПЧ тракта
10 Вывод подключения контура ЧМ детектора
11 Выход НЧ
12 Вывод контура гетеродина АМ тракта
13 Вывод контура гетеродина ЧМ тракта
14 Вывод переключателя АМ/ЧМ
15 Вывод подключения контура преселектора ЧМ
16 Вывод подключения магнитной антенны АМ
Таблица 2.6. Основные технические характеристики ТА8164Р
Параметр технических условий Мин Норма Макс Ед. изм В
Напряжение питания 1,8 3 8
Ток потребления: в режиме ЧМ в режиме АМ —- 10,5 4,5 15,5 7,0 мА
Реальная чувствительность (сигнал/шум 30 дБ) — 4 — мкВ
Напряжение, развиваемое гетеродином (f = 108 МГц) 150 205 280 мВ
Параметр технических условии Мин Норма Макс Ед. изм. 1
[Отношение «сигнал/шум» тракта ПЧ (Un= 80 ДБ/мкВ) — 62 — ДБ
Общие гармонические искажения тракта ПЧ (Ц.ф= 80 дБ/мкВ) — 0.4 — %
[подавление паразитной АМ — 33 — ДБ
Сведения, приведенные в табл. 2.6, являются оценочными, и для специалиста, собирающегося применять микросборку в своих разработках, этого, конечно, явно недостаточно. Радиолюбителю, как правило собирающему радиоприемники по типовым схемам, дополнительные сведения пригодятся в качестве ознакомительных.
На рис. 2 12 представлен график зависимости общих гармонических искажений (THD — total harmonic distortion) и уровня подавления паразитной AM (AMR — amplitude modulation rejection) от уровня входного ВЧ сигнала для тракта ВЧ + ПЧ. Следует отметить, что уровень входного сигнала на этом графике представлен в децибелах, отнормированных к 1 мкВ
На рис. 2.13 показана зависимость чувствительности приемника от частоты его настройки. Хорошо видно, что неравномерность линии чувствительности не превышает во всем диапазоне 2—3 дБ
Рис. 2.12. Показатели тракта ВЧ+ПЧ (AMR — подавление паразитной АМ; THD — общие гармонические искажения)
График рис. 2.14 показывает картину, аналогичную рис. 2.12 только для тракта ПЧ, взятого в отдельности
На рис. 2.15 показан уровень общих гармонических искажений при неточной настройке приемника на принимаемую станцию. Пояснением к рис. 2.15 служит следующий практический пример. Вы. уважаемый читатель, наверняка знаете, что если УКВ приемник не-
Входная частота, МГц
Рис. 2.13. Чувствительность ЧМ тракта
Уровень входного сигнала, дБ/мкВ AMR - подавление паразитной AM
Рис. 2.14. Показатели тракта ПЧ
точно настроен на радиостанцию, то звук в динамике сильно искажается хрипами. Поэтому обычно ручку настройки приемника плавно поворачивают до тех пор, пока искажения не исчезнут. Связано это явление со свойствами частотного детектора, которые мы разбирали в теоретической части. Еще один интересный вывод, который можно сделать, анализируя рис. 2.16, состоит в том, что высокие частоты
Рис. 2.15. Зависимость общих гармонических искажений тракта ПЧ от расстройки приемника относительно частоты несущей
Рис 2 16. Зависимость общих гармонических искажений тракта ПЧ от величины девиации несущей частоты
звукового сигнала больше искажаются при демодуляции, нежели низкие. Если прослушивать даже очень хороший ЧМ приемник через высококачественную усилительную аппаратуру, то при некотором навыке можно заметить эти высокочастотные искажения. Например, высокий звук колокольчика, богато насыщенный высокочастотными гармониками, имеет при воспроизведении характерные призвуки. Впрочем, только искушенный слушатель заметит эти искажения, большинство же не обратят на них ни малейшего внимания.
Структурная схема приемника, приведенная на рис. 2.17, особенностей нс имеет, а значит, и дополнительных пояснений не требует. Однако следует обратить внимание на то, что в составе этой микросхемы, к сожалению, нет вывода для подключения индикатора точной настройки и схемы формирования ФАПЧ В угоду простоте конструкции от этих весьма полезных дополнительных устройств разработчики отказались.
Рис. 2.17. Структурная схема приемника ТА8164Р
В технических условиях на импортные микросхемы очень часто приводятся весьма полезные сведения о внутреннем устройстве их каскадов [29]. К примеру, на рис. 2.18 приведены входной каскад, каскад смесителя, частотный детектор и гетеродин. Видно, что вход-
ная часть приемника, приведенная на рис 2 18, а, построена по схеме с «общей базой», а на выводе 1 присутствует постоянное напряжение. Поэтому, чтобы случайно не «спалить» входной транзистор коротким замыканием антенного провода на «землю», необходимо во входной цепи предусмотреть разделительный конденсатор небольшой (десяток-другой пикофарад) емкости, Смеситель, представленный на рис. 2.18, б, построен по хорошо известной балансной схеме. Сравните этот рисунок с тем, что приведен в литературе [30] для отечественной микросхемы К174ПС1, и вы найдете много общего. Частотный детектор, приведенный на рис. 2.18, в, выполнен по очень похожей на предыдущую схеме, называемой в зарубежной литературе QUAD-схемой (последовательно-параллельное соединение четырех транзисторов). Гетеродинный каскад построен на одном транзисторе (рис. 2.18, г) по классической схеме, каких-либо особенностей не имеет. Важно лишь учесть, транзистор не должен влиять на частотные свойства гетеродинного контура, поэтому связь его с контуром делается слабой за счет разделительного конденсатора малой емкости.
Рис. 2.18. Схемы некоторых каскадов ТА8164Р
Приступим к изготовлению приемника. Вы можете сразу выбрать для повторения один из приведенных вариантов, настраиваемых либо механическим способом (с применением конденсатора переменной емкости — КПЕ), либо электронным (с помощью варикапов). Для изготовления первого — классического — варианта вам понадобится двухсекционный конденсатор, одновременно перестраиваемый по обеим секциям, желательно с воздушным диэлектриком (обладающий меньшими потерями). Можно смело использовать КПЕ от неисправного импортного переносного приемника. Его можно приобрести на развале радиолюбительского рынка. К этому конденсатору легко крепится подходящее колесико верньерного устройства, а значит, и легко конструируется узел плавной настройки. Диэлектрические прокладки такого конденсатора выполнены из полиэстера.
Еще один путь, которым и двигался автор этой книги, связан с применением отечественного КПЕ. Дело в том, что в 70—80-е годы отечественная промышленность выпустила большое количество приемников н магнитол, где использовались конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком типа КПЕ-2. Внешне эти конденсаторы напоминают уменьшенную копню хорошо известных всем по ламповым радиоприемникам пластинчатые конденсаторы. КПЕ-2 снабжен редуктором и большим шкивом, так что его очень просто можно задействовать в верньерном механизме. Также он имеет две согласованные, перестраиваемые от 2.2 до 16 пФ секции. Приобрести такой конденсатор не сложнее импортного КПЕ: достаточно сходить па радиолюбительский рынок и купить отслуживший свое унифицированный блок УКВ (традиционное «оформление» такого блока — штампованный алюминиевый корпус-экран со скругленными ребрами), например УКВ-1-3. Использовать блок полностью тоже можно, но потребуется дополнительная схема тракта ПЧ, да еще и неизвестно, работоспособен ли он или нуждается в ремонте. Так что лучше такой блок разобрать на радиодетали, а КПЕ-2 прослужит в обновленном приемнике еще очень и очень долго.
Что делать, если пе повезло ни с первым, ни со вторым вариантом? Можно самостоятельно изготовить КПЕ из двух подстроечных конденсаторов. «Подстроечпики», или, как их еще называют, «триммеры», «молотковые конденсаторы» (они изображаются на принци-
пцальных схемах символом, перечеркнутым наискосок Т-образным «молотком») на основе керамического диэлектрика едва ли сгодятся, поскольку их не так просто связать в единую конструкцию. Но вот «молотковые» конденсаторы 1КПВМ-1 с воздушным диэлектриком сгодятся. Укрепив их друг напротив друга с помощью подручных средств, как показано на рис. 2 19, мы получим вполне надежную в эксплуатации конструкцию. Такой вариант, конечно, по габаритам окажется чуть больше КПЕ-2 и немного сложнее в изготовлении верньерного устройства, но в крайнем случае им можно будет воспользоваться.
Принципиальная электрическая схема приемника, предназначенного для работы в диапазоне 88—108 МГц. приведена на рис. 2.20, печатная плата — на рис. 2.21, я, монтажный чертеж -— на рис. 2.21, б. Печатная плата выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита или гетинакса. Приемник собран с применением широко распространенных конденсаторов К10-17, КМ-5, КД-2, К50-35, К50-68 или аналогичных, подходящих по размерам. Пьезокерамический фильтр ПЧ Z1 — типа SFE10,7MA5 производства фирмы «Murata». Резисторы типа — МЛТ-0,125 или С2-33. Особое внимание следует уделить изготовлению индуктивных элементов. Катушки L1 и L2 намотаны виток к витку на гладких каркасах Диаметром 5 мм. Количество витков: L1 — 5 L2 — 6. Провод ПЭВ-2 Или аналогичный в эмалевой изоляции диаметром 0,4—0,5 мм После намотки витки желательно пропитать парафином для механической стойкости Катушки имеют латунные подстроечные сердечники Длиной 5—6 мм с резьбой М4. Такие сердечники можно приобрести
готовыми, ио можно и изготовить самостоятельно Удобно использо-вать латунный контакт штепсельной сетевой вилки, нарезав на нем резьбу. Не забудьте также на торце прорезать шлиц под отвертку. Катушки L3.1 и L3 2 намотаны на унифицированном полистироловом трех- или четырехсекционном каркасе диаметром 3,5 мм и настраиваются цилиндрическим ферритовым подстроечником из феррита 100НН. Количество витков: L3.1 — 13, L3.2 — 2. Провод ПЭВ-2 или аналогичный диаметром 0,1—0,12 мм Катушка L4 намотана на аналогичном каркасе, количество витков — 12, провод такого же диаметра. Аккуратно, чтобы не расплавить каркас, припаяйте после намотки провод к выводам. Когда сборка приемника будет окончена, протрите плату со стороны токоведущих печатных проводников ватой, смоченной в ацетоне Как показывает практика, канифоль, особенно старая (темно-коричневого цвета), несколько ухудшает диэлектрические свойства печатной платы, более того, за канифольными наплывами порой трудно разглядеть «залипухи» припоя Чтобы избежать возможных недоразумений, связанных с монтажом, приводите печатную плату к моменту первого включения в «товарный» вид.
Рис. 2.20. Электрическая принципиальная схема приемника на базе ТА8164Р
а)
Рис. 2.21. a — печатная плата; б — сборочный чертеж
Далее из кусочка стеклотекстолита изготовьте диэлектрическую отвертку для настройки катушек индуктивности. Металлические отвертки использовать нельзя — вблизи катушек они сильно влияют на их индуктивность, а следовательно, настройка превратится в долгий и мучительный процесс. После изготовления отвертки подключайте антенну, источник питания, усилитель низкой частоты, и можно производить первое включение. «Стоп, стоп! — воскликнет читатель. — У нас не было разговора о том, какую антенну подключать к приемнику» Верно. Но как уже было сказано в теоретической части, вопросом антенны для высококачественного УКВ приема необходимо
заняться отдельно, изучить условия приема, расположение передающих станций, насыщенность внешними помехами... Обстоятельства могут сложиться так, что достаточным окажется десятисантиметровый кусок провода, а могут и так, что не поможет и остронаправленная активная антенна. Будем считать, что последний вариант крайне редкий и это не ваш случай. Значит, ваша ситуация представляет собой нечто среднее между первым и вторым. Это наиболее типичный случай, кстати имеющийся у автора. Иными словами, при наличии несложной пассивной антенны, а также специально подобранном месте ее установки в квартире обеспечивается качественный прием УКВ радиостанций. Антенна представляет собой классический симметричный вибратор (диполь), состоящий из двух проводящих трубок одинаковой длины (800 мм), между которыми включено согласующее устройство. Можно также воспользоваться готовой «рогатой» комнатной телевизионной антенной. Готовую антенну согласовывать со входом приемника не нужно. Если же вы решили изготовить диполь самостоятельно, вам понадобится согласующее устройство. Оно изображено на рис. 2.22 и построено с использованием двухотверстного ферритового эллиптического сердечника, на который намотан монтажный провод, попарно перевитый. Необходимо соединить «начала» и «концы» проводов так, как показано на рис. 2.22. Располагать согласующее устройство нужно в непосредственной близости от антенны. Соединяется антенна с приемником отрезком экранированного кабеля РК-75.
Рис. 2.22. Согласующее устройство для антенны
Еще один момент, на который рекомендуется обратить внимание, связан с так называемой поляризацией волн, излучаемых станциями В отечественном УКВ диапазоне традиционно использовалась горизонтальная поляризация (значит, приемный диполь лучше располагать горизонтально), в то время как зарубежное передающее оборудование проектировалось для работы на антенны с вертикальной поляризацией. Соответственно при поиске наилучшего места расположения антенны попробуйте не только перемещать ее в пространстве, но также и вращать в вертикальной плоскости. Конечно, с увеличением расстояния до передающей станции поляризация становится все менее заметной, и все же не исключено, что именно нехарактерный вертикально расположенный диполь даст наилучшие результаты Для первоначальной настройки приемника следует расположить антенну как можно выше, сориентировав ее приблизительно на передающий центр.
Итак, все необходимые подготовительные операции завершены, дело — за настройкой. Перед первым включением установите все органы регулировок приемника в средние положения. Не надейтесь, что после включения вы сразу услышите сигнал радиостанции, скорее всего, вас встретит характерное негромкое шипение (но не глухое молчание). Вращением ручки настройки КПЕ попробуйте поймать какую-нибудь радиостанцию. Если вам это удалось, переходите к следующему этапу настройки, если нет — тогда опять поставьте КПЕ в среднее положение и настройтесь с помощью вращения сердечника катушки L2. В подавляющем большинстве случаев это помогает. Но если все же и тут вы потерпели неудачу, придется, варьируя в небольших пределах емкостью конденсатора С6, вращать сердечник L2 Подбор конденсатора С6 может понадобиться тогда, когда вы использовали в конструкции КПЕ, отличный от штатного КПЕ-2, или изготовили его самостоятельно по приведенной выше рекомендации Будем считать, что вам эта операция удалась, поэтому, сопровождаемые хрипящими звуками радиостанции, переходим к следующему этапу настройки.
Вращением подстроечного сердечника катушки L3 добейтесь Максимальной громкости звука. Тракт ПЧ настроен. Теперь (аккуратно и терпеливо!) с помощью подстроечного сердечника катушки L4 Добейтесь минимальных искажений звука В процессе настройки
вращайте КПЕ и вновь ищите положение сердечника катушки L4, в котором искажения звука становятся минимальными Повторяя эти операции несколько раз, найдите такое положение КПЕ и сердечника L4, в котором звук субъективно не имеет искажений Частотный детектор вчерне настроен.
Далее установите КПЕ в одно из крайних положений. Вращением сердечника катушки L2 добейтесь, чтобы при перестройке КПЕ перекрывался диапазон частот 88-—108 МГц. Контролировать диапазон удобно по настроенному промышленному приемнику. Нам осталось настроить преселектор и взять несколько завершающих аккордов. Настройка преселектора приемника, не имеющего встроенного индикатора точной настройки, имеет большой субъективный фактор Чтобы выполнить эту работу как можно точнее, отключите приемную антенну, заменив ее коротким отрезком провода. Радиостанция должна приниматься на уровне шумов, с большим шипением. Немного расстроив с помощью КПЕ приемник, но так, чтобы звук радиостанции не пропал совсем, начинайте вращать подстроечный сердечник катушки L1 Максимальная громкость сигнала свидетельст вует о том, что преселектор настроен. Рекомендуется настройку преселектора производить по радиостанции, работающей в середине диапазона. Вновь подключите нормальную антенну, точно настроитесь на радиостанцию. Вращением сердечника катушки L4 в небольших пределах окончательно скорректируйте работу частотного детектора. На этом настройку можно и окончить. «Опломбируйте» парафином сердечники всех катушек.
Второй вариант приемника, представленный на рис. 2.23, построен с использованием электронных средств настройки Вместо КПЕ здесь используются знакомые нам варикапы Настройка этого варианта приемника аналогична приведенной выше Необходимости в подборе конденсаторов в контурах не возникает, поэтому для них не предусмотрены штатные места на печатной плате, которая приведена на рис. 2.24, а. Монтаж выполняйте по рис. 2.24, б.
Последний совет касается использования этой микросхемы для построения приемников на основе цифровых синтезаторов частоты Подробно на эту тему мы поговорим позже, а сейчас просто запомните, что для работы синтезатора частоты необходим гетеродинный сигнал. Прямо с генератора получить его нельзя, так как можно вне-
Рис. 2.23. Электрическая принципиальная схема приемника на базе ТА8164Р с использованием элементов электронной настройки
а) б)
Рис. 2.24. а — печатная плата; б — сборочный чертеж
сти помеху в работу гетеродина, сдвинуть его частоту или вообще «сорвать» генерацию Выручит развязка в виде простейшего эмит-Терного повторителя, приведенная на рис. 2 25
Рис. 2.25. Буферизация сигнала гетеродина
Третий вариант радиоприемника очень похож на второй, с той лишь разницей, что он построен па микросхеме TDA7227. Эта микросборка выпускается фирмой SGS-Thomson microelectronics и описана в книге [31]. В составе микросхемы имеется вывод для подключения светодиодного индикатора точной настройки, что облегчает как его первоначальную регулировку, так и эксплуатацию.
Таблица 2 7. Назначение выводов TDA7227
1 Вход радиочастоты ЧМ
2 Общим вывод ВЧ тракта
3 Выход смесителя тракта ЧМ
4 Выход смесителя тракта AM
5 Питание
! 6 Вход усилителя ПЧ иМ тракта
I 7 Общий вывод ПЧ тракта
8 । Выход индикатора точной настройки
| 9 Вход усилителя ПЧ AM тракта
I 10 Вывод подключения контура ЧМ детектора
11 Вывод подключения конденсатора ЛРУ
j 12 Переключатель АМ“ЧМ
13 Выхбд НЧ
, 14 Вывод контура гетеродина AM тракта
15 Вывод контура гетеродина ЧМ тракта
16 Питание гетеродина
17 Вывод подключения контура преселектора ЧМ
18 Вывод подключения магнитной антенны AM
Таблица 2.8. Основные технические характеристики TDA7227
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед. изм.
Напряжение питания 1.8 3 7 В
Ток потребления: Г в режиме ЧМ I в режиме AM — 9 7 — мА
Максимальная чувствительность (Лигнал/шум 3 дБ) — 3 — мкВ
Отношение «сигнал/шум» тракта ПЧ 80 дБ/мкВ) — 70 — ДБ
Общие гармонические искажения тракта ПЧ (Ц«ч= 80 дБ/мкВ) — 0.4 — %
Подавление паразитной AM — 50 — ДБ
Структурная схема TDA7227 показана на рис. 2.26. Принципиальная электрическая схема приемника, построенного с применением элементов электронной настройки, приведена на рис. 2.27, печатная плата изображена на рис. 2.28, а, «монтажка» — на рис. 2.28, б. Данные индуктивных элементов: L1 и L2 выполнены точно так же, как и в описанной выше конструкции, L3.1 содержит 12 витков, L3.2 — 1 виток провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 -0,12 мм. Катушка L4 имеет 16 витков того же провода. Настройка приемника производится по типовой методике с той разницей, что при настройке преселектора уровень сигнала удобнее контролировать не па слух, а по максимуму свечения индикатора точной настройки.
I Автор не приводит здесь четвертый вариант приемника, построенный на основе КПЕ. Читатель в состоянии разработать такую схему самостоятельно. После изготовления приемник желательно поместить в жестяной экран, вывести с помощью проводников выводы питания, антенны, резистора настройки и низкочастотного выхода.
Чтобы перестроить приемник на отечественный диапазон, достаточно вывернуть латунные сердечники и поставить на их место такие
по размеру готовые сердечники из феррита 13ВЧ Настраивать тракт ПЧ и частотный детектор, естественно, уже не требуегся.
Еще одной и, пожалуй, наиболее интересной конструкцией, которую вы сможете легко повторить, является приемник па основе микросхемы ТЕА5710 производства фирмы «Филипс». Читатель навер-
Рис. 2.26. Структурная схема TDA7227
а)
10...100К
18
С14
0,022мк VD1 VD2
+11пит 5...6В О——
С2 U ЮОмк-i-
6,3В
WA1
C10-L 75
С7 8200
СЭ 47
R4 5,6к
L2
VD3 VD4
С8 ЗЗмк 6,3В
13 12 и Ю
2,2мк 6,3В
Выход НЧ
б)
Рис. 2.28. a — печатная плата; б — сборочный чертеж
17 16 15 14
DA1 TDA7227
2
6
VD1—VD4 — КВ109В(г)
СЗ, С6 — 1000
С4.С5 —82
Z1 SFE10.7MA5
R5 510
HL1 АЛ307Б
Рис. 2.27. Электрическая принципиальная схема приемника на базе микросхемы TDA7227
Няка уже успел заметить, что продукция фирмы «Филипс» отличается оригинальностью технических решений, их изяществом, многообразием и смелостью. Давайте сделаем небольшой технический Перерыв в наших изысканиях и совершим краткий экскурс в историю Развития этой фирмы. Поможет нам в этом материал [32], подготовленный Дмитрием Степанниковым.
I Датой рождения фирмы Филипс и К° можно считать 15 мая 1891 г°Да, когда отец и сын Фредерик и Герард Филипсы подписали част-
ное партнерское соглашение между собой. Ничего странного в этом нет — в мире цивилизованного бизнеса принято разделять семейные и деловые отношения. Первоначально новоиспеченная фирма, местом расположения которой решено было выбрать Голландию, занималась выпуском ламп накаливания — товара в те времена нового и пользующегося спросом. Понятно, что и тогда между производи е-лями электротехнических изделий существовала достаточно жесткая конкуренция, поэтому молодая фирма жила на грани убытков. Необходим был мощный и оригинальный рывок, поэтому в 1894 году Фредерик Филипс озадачиваемся поиском новых рынков сбыта, ч -бы вложить деньги в стремительное расширение производства и подавить конкурентов. Его сын, Антон Филипс, обладающий незаурядным набором деловых качеств, совершает поездку в Россию и за ша дня заключает контракт на поставку 150 000 ламп накаливания, из которых 50 000 планировалось использовать для подсветки резиденции государя — Зимнего дворца. Как бы там ни было, но через десять лет «Филипс» — крупнейший в Европе производитель ламп накаливания, имеющий представительства в 28 крупных странах мира. К слову заметим, что век спустя Россия вновь станет практически безграничным рынком сбыта электронной продукции этой фирмы. Но и не только электронной — в магазинах, торгующих электротоварами, можно купить и традиционную продукцию, а именно лампы накаливания с маркой «Филипс»!
Закон бизнеса жесток: если предприятие не расширяется, не растет объем производимой продукции, оно рано или поздно погибает Руководители фирмы, на деле доказавшие свои деловые качества, в 20-е годы XX столетия почувствовали, что лампы накаливания уже не могут служить основой бизнеса, так как рынок их близок к насыщению. Другими словами, необходимо искать пути расширения деятельности. И фирма, увлекаемая бурным развитием радиотехники, осваивает производство электронных ламп. Первая радиолампа, разработанная инженерами фирмы и названная мини-ватт, приятно у ти-вила всех низким энергопотреблением. Можно предположить, что огромный опыт, накопленный в процессе создания экономичных ламп накаливания, пригодился и здесь. В 1927 году проявилось первое революционное изобретение «Филипс» — пятиэлектродная лампа, пентод.
к Другим направлением исследований и вложения средств фирмы стала техника телевидения. В 1928 году па суд специалистов была вынесена первая телевизионная установка, правда базировавшаяся на механическом методе сканирования и передачи изображения. В 1935 году специалисты «Филипс» построили экспериментальный телевизионный передатчик и добились четкости телевизионного изо-бражсния телевизионного приемника до 405 строк. Стремительными темпами шла подготовка к серийному производству телевизионной аппаратуры. Но вмешалась Вторая мировая война, в результате которой «Филипс» потеряла четверть заводов и три четверти административных зданий.
Работы по стереофонической звукозаписи «Филипс» начала еще в 1938 году. В 1946 году впервые была экспериментально проверена возможность стереофонического радиовещания. В 1958 году появился первый массовый стереофонический проигрыватель.
В 1948 году «Филипс» совершает еще одну техническую революцию — налажено массовое телевидение. Как пишет автор статьи, «в специально оборудованных публичных местах были установлены телевизионные приемники, транслирующие новости, развлекательные программы, фильмы, познавательные передачи. По своим параметрам система телевидения, разработанная «Филипс», значительно превосходила все имевшиеся на тот момент мировые аналоги: изображение состояло из 567 линий, а стереофоническое (!) звуковое сопровождение передавалось с помощью частотной модуляции >. Современному читателю нетрудно представить, какой популярностью пользовались публичные телепередачи! Сегодня нечто подобное происходит в сфере Интернета.
В 1952 году «Филипс» одной из первых освоила производство германиевых диодов, а в 1953 году - биполярных транзисторов. В 1954 году выпущен первый портативный транзисторный радиоприемник. Новое изобретение мгновенно заинтересовало умы технических специалистов фирмы, и «Филипс» в предельно короткие сроки освоила производство надежных полупроводниковых компонентов.
Компакт-кассета. Едва ли кто не знает, что это такое. Она стала Кировым стандартом на долгие десятилетия, уверенно вошла в XXI
век и пока не собирается сдавать позиции в технике звукозаписи А ведь именно «Филипс» разработала ее аж в 1959 году!
В 1964 году фирма представила на суд потребителей первый недорогой студийный видеорекордер, осуществлявший запись изображения на магнитную ленту. В апреле 1969 года «Филипс» выпускает первый бытовой черно-белый видеомагнитофон, а через год появляется профессиональный видеорекордер, «умеющий» записывать цветное изображение.
Компакт-диск. Компьютерщики и любители качественной музыки должны кивнуть. Компакт-диск за каких-нибудь пару лет уничтожил производство виниловых музыкальных дисков, более того, пираты морей программного обеспечения продают нелицензионные программы исключительно па CD. Лицензионные программы, кстати, тоже распространяются на компакт-дисках, поскольку на дискеты просто не «влезают»... Еще в 1972 году «Филипс» разработала технологию считывания информации при помощи лазерного луча. Появились видеодиски, которые, при записи с двух сторон, хранили приблизительно двухчасовые видеофрагменты. В 1979 году разработан известный всем музыкальный компакт-диск. Чуть позже специалисты уяснили, что на CD можно хранить не только музыку, но и любую другую цифровую информацию. Поэтому был спроектирован привод для считывания CD, названный CD-ROM.
Сегодня, в эру цифровых технологий, «Филипс» выпускает как аналоговую, так и цифровую аппаратуру класса Hi-Fi, профессиональную телевизионную технику, а также переносные магнитолы, телевизоры, видеомагнитофоны, музыкальные центры. «К сегодняшнему дню, — пишет Д. Степанников, — концерн стал действительно «королевским» — его полное название выглядит как Royal Philips Electronics. Он занимает восьмое место в списке тридцати крупнейших электронных корпораций мира. Это крупнейший в мире производитель цветных телевизоров и видеомагнитофонов, один из пионеров в разработке цифровых стандартов телевидения, лидер на рынке мониторов для персональных компьютеров. Наверное, проще найти электронный прибор, к которому бы не прикасалась рука специалистов Philips». Достойный образец для подражания, не правда ли?
Но вернемся к инженерно-техническим и радиолюбительским задачам. Особенностью микросхемы ТЕА5710 является отсутствие со-
Жсующего контура ПЧ а также контура частотного детектора. Вместо согласующего контура включен дополнительный пьезокерамиче-ский фильтр, обеспечивающий требуемую селективность по соседнему каналу. Имеется также сдвоенный усилитель ПЧ устраняющий возможное взаимное влияние пьезокерамических фильтров друг на друга и более качественно усиливающий сигнал Частотный детектор построен на основе пьезокерамического дискриминатора типа CDA. Микросхема выпускается в 24-выводном корпусе ми-ни-DlP с шагом 1,78 мм, а также в планарном корпусе Структурная схема изображена на рис. 2.29.
Рис. 2.29. Структурная схема ТЕА5710
Таблица 2 9 Назначение выводов ТЕА5710
Вход радиочастоты ЧМ
Вход усилителя ПЧ AM
3 Вход смесителя тракта AM (открытый коллектор)
4 Выход смесителя ПЧ ЧМ
5 Стабилизированное напряжение (А)
6 Вход усилителя 1 ПЧ ЧМ
7 Вход/выход усилителя ПЧ AM —
8 Выход усилителя 1 ПЧ ЧМ —•>
9 Стабилизированное напряжение (Б)
10 Вход усилителя 2 ПЧ ЧМ
11 Общий вывод трактов ПЧ и детекторов
12 Вывод подключения дискриминатора CDA ——
13 Выход НЧ (выходное сопротивление 5 кОм —
14 Вывод переключателя АМ/ЧМ •
15 Вывод индикатора точной настройки
16 Питание
17 Вывод контура гетеродина AM тракта
18 Вывод контура гетеродина ЧМ тракта
19 Общий вывод цепей радиочастоты
20 Вывод подключения контура преселектора ЧМ
21 Вывод подключения конденсатора АРУ
22 Вывод подключения блокировочного конденсатора
23 Вывод подключения магнитной антенны AM
24 Общий вывод
Таблица 2 10 Основные технические характеристики ТЕА5710
Параметр технических условии Мин Норма Макс Ед изм
Напряжение питания 2.0 3 12 В
Ток потребления: в режиме ЧМ в режиме AM 7,3 5,6 9,0 7,5 11.2 9,9 мА
Чувствительность: максимальная (сигнал/шум = 3 дБ) реальная (сигнал/шум = 26 дБ) 0.4 1.0 1.2 2.8 3,8 3,8 мкВ
Общие гармонические искажения по всему тракту (Af = 22,5 кГц) — 0.3 0,8 %
Номинальный ток индикатора точной настройки 2 3.5 6 мА
Электрическая принципиальная схема приемника, построенная с использованием средств электронной настройки, изображена на рис. 2.30.
Печатная плата приведена на рис 2 31, а, сборочный чертеж — на рис. 2.31, б.
Рис. 2.30. Электрическая принципиальная схема приемника на базе микросхемы ТЕА5710
Катушки L1 и L2 имеют такую же конструкцию, как и в описанных ранее приемниках, а вот катушка L3 — бескаркасная, намотана виток к витку на оправке диаметром 6 мм проводом ПЭВ-2 0,4—0,5 мм, количество витков — 2,5.
После установки L3 на печатную плату рекомендуется залить ее небольшим количеством парафина. Настраивать эту катушку не Нужно.
Настройка приемника как вы и предполагали, заключается в установке границ диапазона и регулировке центральной частоты преселектора Особенностей здесь нет, а потому смело пользуйтесь приведенной выше методикой, считая, что тракт ПЧ и частотный детектор Настроены заранее Заметили, насколько упрощается создание качественного радиоприемника, если использовать готовые, не требующие регулировки элементы?
Вы уже успели почувствовать, что монофонические УКВ прием, ники сами по себе не очень интересные конструкции. Поэтому пере, ходим к конструированию стереофонических вариантов, построен-ных также всего на одной микросхеме.
б)
Рис. 2.31. a — печатная плата; б — сборочный чертеж
2.3. Супергетеродинный стереофонический УКВ приемник
К Смею вас уверить, уважаемый читатель, что опыт, накопленный вами при изготовлении несложных УКВ приемников, очень приго-дится при чтении этого и последующих разделов. Надеюсь, у вас осталось чувство неудовлетворенности монофоническим звука собранных конструкций, но вместе с тем появилось желание принимать стереофонические передачи с высоким качеством звука. Уверен также, что вам не слишком понравилось настраивать приемник вращением ручки перестройки частоты, приблизительно определяя, где находится та или иная станция. Также вполне естественно, что хочется своими силами изготовить тюнер, который по своим основам и сервисным параметрам приближался к лучшим промышленным образцам. Если все это так, то нс сомневайтесь: при определенной доли терпения, настойчивости и аккуратности вам удастся решить эти задачи. Возможно, вы «буква в букву» повторите конст-рукции, описанные на страницах этой книги. Возможно, придумаете на их основе новые, более интересные, с более развитым сервисом. В любом случае, прежде чем возвратиться к практике, вам нелишне будет познакомиться с конструкциями высококачественных стационарных и автомобильных УКВ приемников, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами, с их основными характеристиками и возможностями.
I В мире выпускается настолько много всевозможной аппаратуры, настолько часто выходят новинки, что появилась возможность издания ежемесячных журналов, рассказывающих только о новостях в сфере аудио- и видеотехники. В этих журналах, кстати издающихся и У нас в России, не публикуется электрических схем, математических расчетов, рекомендаций по ремонту и рассказов об особенностях внутреннего устройства. Авторы статей пишут только о потребительских свойствах техники, которые понятны даже неспециалистам. С помощью этих журналов обыватель /ос агочно просто выбирает одходящую по цене и желаемым возможностям технику. Радиолюбители, однако, мало интересуются такой подачей материала, считая, Что изучать электрические схемы куда как приятнее и информативнее. И напрасно! Даже такие простые описания таят в себе массу ин
формации, много интересных творческих идей. Они часто наталкивают на интересное решение.
Описывать потребительские качества аппаратуры можно до бесконечности, составив таким образом хороший справочник. Однако в рамках этой книги рассматривается совершенно другая задача, поэтому здесь уместно привести информацию, собранную автором в сети Интернет буквально за 2—3 часа [34—36]. Уверен, этих сведений будет вполне достаточно, чтобы сориентироваться в мире современной техники высококачественного УКВ радиоприема.
Все мы знаем, что принадлежность аппаратуры тому или иному классу можно без труда определить «на слух». Звучание дешевого переносного радиоприемника будет разительно отличаться от звучания дорогого стационарного тюнера, подключенного к музыкальному центру. В разговорах на темы, касающиеся радиоаппаратуры, обычно с уважением отзываются об аппаратуре класса Hi-Fi, Hi-End. И все же эти оценки субъективны, базируются на «заключении авторитетной комиссии», не более. А если нам нужны не приблизительные суждения, а точное определение? Принадлежность аппаратуры тому или иному классу определяется по специальным нормативам, оговоренным в государственных стандартах (никак ие меньше!). Например, стандарт DIN 45000 устанавливает основные характеристики УКВ тракта класса Hi-Fi, приведенные в табл. 2.11.
Таблица 2.11. Нормы трактов УКВ класса Hi-Fi согласно DIN 45000
• Параметр Значение Ед. изм
Полоса воспроизводимых частот 40—12500 Гц
Коэффициент нелинейных искажений (fm = 1 кГц. Af = 40 кГц) не более 2 %
Несимметрия каналов в полосе 250—6300 Гц не более 3 ДБ
Переходное затухание помех между каналами, в полосе 250—6300 Гц в полосе 6300—12500 Гц не менее 26 не менее 15 ДБ
Отношение «сигнал/шум» на выходе тракта НЧ не менее 54 ДБ
Как видно, для стереофонического тракта первостепенное значение имеет симметрия каналов воспроизведения звука. Это понятно если каналы будут обладать иесиммстрией, ухудшится стерсоэф'
фект. Чуть позже мы вернемся к рассказу о параметрах, характеризующих собственно стереофоническую часть тракта радиоприемника, а сейчас пробежимся по особенностям некоторых промышленных конструкций.
Специалисты в области бытовой аудиотехники В. Тимофеев и Н. Миловидов [36] провели лабораторное тестирование нескольких моделей зарубежных тюнеров с целью сравнить их основные и сервисные характеристики. Надо сказать, что многие малоизвестные производители любят в рекламных целях завышать реальные характеристики производимой аппаратуры. По заключению авторов, в процессе тестирования обнаружено очень малое расхождение с заявленными параметрами, что говорит в пользу фирм-производителей.
Современная радиоприемная аппаратура ориентируется главным образом на местный высококачественный прием в диапазоне УКВ, а традиционные диапазоны AM отходят на второй план. Разработчики аппаратуры руководствуются посылкой «лишь бы воспроизводило звук местных AM станций с приемлемым уровнем нелинейных искажений». Соответственно даже дорогие модели уверенно принимают AM радиостанции, расположенные в пределах сотни-другой километров от точки приема.
В теоретическом разделе была обозначена важность такого параметра, как чувствительность. Авторы статьи измеряли чувствительность классическим методом — с помощью генератора сигналов. Можно сказать, что теоретически достижимая чувствительность УКВ радиоприемника составляет 0,7—0,8 мкВ. Дальнейшему повышению чувствительности мешают тепловые шумы элементов тракта и шум эфира. Измерялось также отношение «сигнал/шум» на выходе Приемника. Авторы отмечают, что отношение порядка 50 дБ — это разница между такими субъективными оценками, как «ничего не слышно в шуме» и «слышно уверенно и громко». Еще один параметр, который нельзя не обойти, — селективность (по соседнему каналу, зеркальному каналу и побочным каналам приема) Результаты тестирования изложены ниже.
Тюнер DENON TU-490 RG имеет на передней панели 13-знако-вый люминесцентный индикатор, который в цифровом виде отображает значение принимаемой частоты, номер фиксированной настройки, диапазон приема. Имеется даже такая нехарактерная для
тюнеров вещь, как пульт дистанционного управления (ПДУ). Фиксированных настроек можно задать до 40 позиций. Для быстрого переключения между этими настройками (сгруппированными в 5 банков по 8 позиций) служат 8 небольших кнопок, расположенных также на передней панели (бывалые радиолюбители говорят в таком случае, что они расположены «на морде»). Каждая фиксированная настройка может быть озаглавлена уникальным названием, которое будет отображаться на буквенно-цифровом индикаторе. Название вводится последовательно, буква за буквой. Имеется система автоматического сканирования диапазона с занесением обнаруженных станций в память тюнера Этими сервисными функциями управляет встроенный микроконтроллер. Тюнер работает в двух диапазонах: западном УКВ и средневолновом AM
Тюнер Harman Kardon TU 950 принимает волны западного ЧМ диапазона, а также средневолнового и длинноволнового диапазонов AM Имеется плавная ручная настройка на принимаемый диапазон с помощью круглой ручки большого диаметра. Кроме того, введен интересный режим автоматической настройки. В этом режиме следует только слегка повернуть ручку настройки, и тюнер автоматически начнет перестраиваться на ближайшую радиостанцию. В режиме перестройки звук отключается. Средн органов управления качеством радиоприема следует отметить переключатель полосы приема («уз-кая/широкая»). Широкая полоса позволяет получить более высокое качество звука, но также возрастет и потенциальная подверженность помехам. Переключатель «дальний прием/ближпий прием» представляет собой электронный антенный аттенюатор и удобен в условиях высоких внеполосных помех. Кроме того, на индикаторную панель выводится значение уровня принимаемого сигнала (так называемый S-метр). Это сигнал обычно формирует индикатор точной настройки, далее он оцифровывается встроенным АЦП и обрабатывается в цифровом виде микроконтроллером
Тюнер Marantz ST-65 имеет три диапазона приема, как и предыдущий тюнер. В нем отсутствуют оригинальные сервисные функции, однако, проводя электрические измерения тракта УКВ, авторы были обрадованы высоким показателем чувствительности, близкой к прс' дельной. Селективность по зеркальному каналу имеет значение порядка 70 дБ Такт звукопередачи спроектирован настолько хорошо,
что субъективно не ощущается посторонних призвуков и тембровой окраски в транслируемой высококачественной фонограмме
Тюнер Sony ST-S3000ES очень прост в эксплуатации — он имеет всего три основных кнопки. Одна управляет включением питания, другая — настройкой, третья — переключением фиксированных настроек Кнопки, используемые нечасто, размещены под дисплеем и уменьшены в размерах Интересной особенностью этого тюнера является наличие гнезд для подключения двух приемных антенн. Таким образом, возможно с помощью кнопки оперативно выбирать лучшую, сообразуясь с условиями приема. Программа, разработанная для управляющего микроконтроллера, имеет развитый интерфейс. Можно даже выбрать язык сообщений, появляющихся на дисплее. Можно запрограммировать до 30 фиксированных настроек, причем запоминаться будет не только частота настройки, но также выбранная антенна, режим «моно/стерео», ослабление антенного аттенюатора, режим полосы «узкая/широкая». Но самое удивительное, что в составе тюнера есть система Active Selection Mode (ASM), которая автоматически оптимизирует эти параметры. Можно выставить их и вручную. Тюнер не имеет многочисленных кнопок для выбора фиксированных настроек. Они включаются последовательным перебором Из явных излишеств в тюнере предусмотрены два индикатора напряженности поля (S-метра) Один — упрощенный — построен по известному принципу «бегущей полосы» с 10 ступенями. Второй, появляющийся при нажатии соответствующей клавиши и исчезающий через некоторое время, индицирует величину входного сигнала в цифровом виде. Чувствительность тюнера находится на Уровне теоретически возможного предела, селективность по соседнему каналу составляет порядка 80 дБ, а по побочным каналам приема Приближается к 90 дБ.
Читателю, уверен, интересно также сравнить параметры некоторых современных автомагнитол, поскольку эти представители звуко-воспроизводящей аппаратуры занимают значительную часть рынка Производимой аудиотехники. Читая рассказ об автомагнитолах, попробуйте также сравнивать их эксплуатационные качества с описанными выше качествами стационарных аппаратов.
Магнитола Clarion RAX 530D имеет два диапазона зарубежный УКВ-ЧМ и средневолновый AM Фиксированных настроек
24, причем 18 из них используются в диапазоне УКВ, а 6 — в ЛМ Приемник может автоматически просканировать диапазон и занести найденные станции в память. Кроме того, предусмотрен режим сканирования при выборе фиксированной настройки, когда каждая станция, занесенная в память, озвучивается 10 секунд, а затем осуществляется переход к следующей настройке. Есть также автоматическая настройка в режиме плавной перестройки частоты, когда при небольшом повороте рокера (специального колесика) частота настройки приемника перестраивается до ближайшей соседней станции. Радиоприемник имеет чувствительность не хуже 5 мкВ, селективность по соседнему каналу около 80 дБ, селективность по зеркальному каналу 53 дБ Подавление побочных каналов осуществля ется на 75 дБ.
Магнитола Denon DCR-930R имеет классический набор диапазонов: западный УКВ и средневолновый АМ Фиксированные настройки рассчитаны на 30 позиций (три банка по 6 настроек УКВ и 2 банка диапазона АМ). Переключение между фиксированными настройками осуществляется последовательным перебором Фиксированные настройки можно устанавливать автоматически, но имеется возможность ручного ввода данных. Чувствительность приемника не хуже 1,5 мкВ, избирательность по соседнему и побочным каналам примерно 70 дБ. Отношение «сигнал/шум» на выходе — около 65 дБ.
Магнитола Philips RC468RDS в лучшую сторону отличается от описанных ранее (как, впрочем, и вся продукция этой фирмы). Она имеет как отечественный, так и зарубежный УКВ диапазоны, АМ средневолновый, длинноволновый и 49-метровый коротковолновый диапазоны В отечественном УКВ диапазоне прием, к сожалению, возможен только в монофоническом режиме. Чувствительность в УКВ диапазонах не хуже 1,2 мкВ, селективность по соседнему каналу 74 дБ, по побочным каналам около 76 дБ. Селективность по зеркальному каналу 80 дБ.
Магнитола Sony XR 635SP, пожалуй, самая интересная магнитола, так как отечественный диапазон УКВ принимается в стереорежиме. Западный УКВ диапазон, естественно, также обеспечен необходимыми средствами для стереофонического звуковоспроизведения Система, осуществляющая стереофонический прием в обои* УКВ диапазонах, получила название «Стерео-Плюс». Имеются так-
^-е сопутствующие диапазоны АМ (средневолновый и длинноволновый). Цифровой дисплей отображает принимаемую частоту, диапазон и текущее время Чувствительность УКВ приемника близка к 0,9 мкВ, селективность по соседнему каналу составляет 70 дБ.
I В целом следует заключить, что современные радиоприемники немыслимы без использования в их составе буквенно-цифровых дисплеев, микроконтроллеров, а также специальных устройств электронной точной настройки, называемых цифровыми синтезаторами частоты. Мы обязательно рассмотрим эти устройства и используем их в радиолюбительских конструкциях чуть позже. Пока же займемся освоением самого главного узла — стереофонического супергетеродинного тракта.
L В этом разделе вашему вниманию будет предложено несколько стереофонических однокристальных приемников примерно одинаковой сложности и качества. Все они поддерживают систему стереовещания с пилот-тоном (зарубежный стандарт), просты в сборке и налаживании, не требуют дефицитных, дорогостоящих и труднодоступных деталей. В то же время они обладают высокими техническими характеристиками и .могут стать основой радиолюбительского тюнера.
Отлично зарекомендовала себя в качестве унифицированного УКВ тракта микросхема TDA7222A производства фирмы SGS-Thomsom Microelectronics. Эта микросхема применяется в промышленной стереофонической радиоаппаратуре очень широко. Вы можете вс гретить ее как в недорогих переносных моделях, так и в дорогостоящих музыкальных центрах, а также в автомагнитолах. Микросборка имеет полные аналоги А8127, ТА8167 (фирма-производитель «Тошиба») и КА2290 (фирма-производитель «Самсунг»), По аналогии с монофоническими вариантами, эта микросхема также имеет в своем составе узлы, относящиеся к АМ тракту. Эти возможности микросхемы мы договорились не использовать Описывая мИкросборку и конструкции на ее основе, мы будем ориентироваться На технические данные аналога (ТА8127), поскольку они оказались наиболее полно представленными в документации фирмы-производителя. Тем не менее все сказанное в равной степени относится и к аналогам.
Таблица 2.12. Назначение выводов ТА8127
1 Вход радиочастоты ЧМ
2 Общий вывод ВЧ тракта '
3 Выход смесителя тракта ЧМ
4 Выход смесителя тракта AM
5 Вывод подключения конденсатора АРУ
6 Питание
7 Вход усилителя ПЧ AM
8 Вход усилителя ПЧ ЧМ
9 Общий вывод ПЧ тракта
10 Вывод подключения индикатора очной настройки
11 Вывод подключения индикатора «стерео»
12 Вывод подключения контура ЧМ детектора
13 Выход НЧ правого канала
14 Выход НЧ левого канала
15 Вывод настройки частоты ГУН стереодекодера
16 Вывод переключения «АМ/ЧМ»
17 Вывод переключателя «стерео/моно»
18 Вход стереодекодера
19 Выход детектора АМ/ЧМ
20 Вывод контура гетеродина AM тракта
21 Вывод контура гетеродина ЧМ тракта
22 Вывод питания гетеродина
23 Вывод подключения контура преселектора ЧМ
I 24 Вывод подключения магнитной антенны AM
Таблица 2.13. Основные технические характеристики ТА8127
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед изм ]
Напряжение питания 1,8 3 7,0 -Ч
Ток потребления в режиме ЧМ в режиме AM 13,2 8,4 20 13,5 ' | мА
Максимальная чувствительность (отношение «сигнал/шум» 3 дБ) — 10 — мкВ
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед изм.
Отношение «сигнал/шум» тракта ПЧ 80 ДБ/мкВ) — 70 — ДБ
Напряжение, развиваемое гетеродином (f = 72,3 МГц) — 105 — мВ
Общие гармонические искажения тракта ПЧ (1/.хЧ= 80 дБ/мкВ) — 0,4 — %
Подавление паразитной AM — 32 — ДБ
Чувствительность индикатора точной настройки 45 51 56 дБ/мкВ
Максимальное входное напряжение КСС стереодекодера(Ь + R = 90%, пилот-тон Р = 10%, гармо и и искажения THD = 3%) — 350 — мВ
Разделение каналов (f = 100—10000 Гц) 35 42 — ДБ
Общие гармонические искажения стереодекодера в монорежиме в стереорежиме — 0.2 0,2 — %
Несимметрия каналов -2 0 2 ДБ
Уровень пилот-сигнала, при котором происходит включение индикатора «стерео» 2 6 — мВ
Отношение «сигнал/шум» стереодекодера — 70 — ДБ
В документации на эту микросхему представлено много полезных графиков, описывающих режимы. Многие из них аналогичны приведенным в разд. 2.2 для монофонических приемников. Это не-случайно: ведь если забыть о существовании стереодекодера, этот приемник превратится в обычный монофонический. Конечно, повторяться и вновь разбирать то, что относится к монофонической части, здесь нет никакого смысла — вы уже освоили ее. При желании всегда можно получить подробности на Интернет-сайте фирмы-произво-ДИтсля. Обратить внимание хочется на то, чего не было описано в Разд. 2 2, то есть на графические зависимости, отображающие особенности эксплуатации стереорежима Некоторые до сей поры незнакомые параметры встретились вам в табл. 2.13, поэтому вначале поспорим о них, затем рассмотрим графики.
Важным параметром, характеризующим качество декодирования, является позиция, обозначенная «разделение каналов». Этот параметр показывает, в какой мере сигнал левого канала «подмешива-
ется» в правый канал и наоборот Чем сильнее каналы влияют друг на друга, тем хуже ощущается стереоэффект В предельном случае, когда канальные сигналы «перемешаны» полностью, звучание становится монофоническим. Естественно, такой стереодекодер вряд ли кто сочтет годным к использованию. Разделение каналов обычно нормируется отдельно в разных участках звукового диапазона, поскольку на одних частотах стереодекодер может хорошо разделять каналы, а на других — хуже.
О несимметрии каналов уже было сказано несколько слов в начале этого раздела. Действительно, при большом различии канальных характеристик ухудшается или даже сводится на нет стереоэффект. К примеру, если один канал воспроизводит только высокие частоты, «заваливая» низкие, а другой безмерно «басит», информация о пространственном положении звуковых источников искажается или теряется вовсе. Если каналы отличаются только по уровню громкости, то это меньшее зло, хотя как сказать... Слушателю часто придется пользоваться регулятором стерсобаланса, возникнут трудности с симметрией записи на стереофонический магнитофон. Конечно, разница в пределах 2 дБ практически незаметна на слух, поэтому разработчики микросхемы отнормировали несимметрию на таком уровне.
Интересным параметром является уровень пилот-сигнала, при котором происходит опознавание стереорежима и включается индикатор «стерео». Дело в том, что, если задать этот уровень слишком маленьким, любая помеха, в том числе и широкополосная шумовая, будет постоянно переключать стереодекодер в положение «стерео», в то время как при приеме слабых сигналов и в промежутках между соседними радиостанциями разумнее переходить в монорежим, что в современных стереодекодерах осуществляется автоматически. Монорежим менее чувствителен к шумам и помехам, так как спектр монофонического сигнала уже. Завышенный порог срабатывания, напротив, может привести к тому, что режим «стерео» не включится вообще или начнутся знакомые «прыжки» между моно- и стереорежимом Индикатор стереопсредачи в таком случае хаотически мерцает. Поэтому порог переключения режимов оптимизирован, оптимизированное числовое значение приведено в табл. 2.13 Еще одно несомненное достоинство данного стереодекодера — высокое отношение «сигнал/шум».
Теперь разберемся в графических данных. На рис. 2.32 отображена зависимость уровня разделения стереоканалов (кривая SEP) и общих гармонических искажений (кривая THD) для разных модули-ощих частот. В среднем разделение стереоканалов находится на уровне, обозначенном в табл. — 42 дБ, — и резко падает за отметкой 12500 Гц, что соответствует аппаратуре высокого класса. Общие гар-Кнические искажения, как видно из этого графика, тоже примерно пост янны во всей полосе частот и не выходят за пределы требований, предъявляемых к аппаратуре класса Hi-Fi.
Частота модуляции, кГц (Р — уровень пилот-сигнала)
Рис. 2.32. Зависимость уровня разделения стереоканалов (SEP) и общих гармонических искажений (THD) от частоты модулирующего сигнала
I На рис. 2.33 изображена зависимость этих же величин от уровня входного сигнала. Как видим, уровень разделения стереоканалов носит равномерный, мало изменяющийся характер, а вот гармонические искажения резко возрастают при превышении сигналом уровня 300 мВ. Связано это главным образом с тем, что транзисторные каскады. входящие в такт стсреодекодера, входят в нелинейный режим. Оптимальным является уровень сигнала, называемый «линейным» -250 мВ. Гармонические искажения в этом случае не превышают 0,5%.
' Очень интересный график представлен на рис. 2.34, он показывает величину полосы захвата (capture range — CR) и полосы удержания (lock range — LR) от величины входного пилот-сигнала. Как нам
Рис 2.33. Зависимость уровня разделения стереоканалов (SEP) и общих гармонических искажений (THD) от уровня входного сигнала стереодскодера
Рис. 2.34. Зависимость полосы захвата (CR) и полосы удержания (LR) пилот-сигнала встроенного ГУН от уровня пилот сигнала
известно, в современных стереодекодерах используется синхронное детектирование с применением обратной связи в виде петли ФАПЧ поэтому в состав стереодекодера вводится ГУН. Частота этого ГУН в отсутствии пилот-сигнала ничем не синхронизирована, и, более того, она может несколько отличаться от заданной (19 кГц или кратной этой цифре) из-за температурной нестабильности, неточной установки. К счастью, захват и синхронизация ГУН с пилот-сигналом проис
ходят даже при отличии частот. Полоса удержания синхронизированного сигнала, как нам уже известно, в большинстве случаев шире полосы захвата, что и отражено на рис. 2.34 В дальнейшем, при настройке практической конструкции радиоприемника со стереодекодером, мы убедимся в справедливости этого утверждения. Вот, пожалуй, и все дополнительные сведения которые понадобятся нам.
Теперь наше внимание обращено на структурную схему, приведенную на рис. 2.35. Цифрами на ней обозначены:
1 усилитель радиочастоты тракта ЧМ;
2 — смеситель тракта ЧМ;
3 — смеситель тракта AM;
4 — схема АРУ/ФАПЧ;
5 — усилитель промежуточной частоты тракта AM,
6 — детектор уровня;
7 — усилитель промежуточной частоты тракта ЧМ;
8 — драйвер индикатора «настройка»;
9 - драйвер индикатора «стерео»;
10 — частотный детектор (ЧМ тракт);
11 — гетеродин ЧМ тракта;
12 — гетеродин AM тракта;
13 — усилитель НЧ тракта AM;
14 — усилитель НЧ тракта ЧМ;
15 — амплитудный детектор (AM тракт);
16 — схема переключения АМ/ЧМ
17 — предварительный усилитель стереодекодера;
18 ГУН стереодекодера;
19 — делитель частоты ГУН;
20 — пороговая схема;
21 — переключатель режима’
22 — стереодекодер.
В схеме предусмотрены два индикатора, один из которых сигнализирует о наличии стереофонической передачи, а другой — о точной настройке на принимаемую радиостанцию, что очень удобно на I практике. В составе микросхемы имеется также схема формирования I сигнала ФАПЧ для обеспечения поддержания стабильности частоты । гетеродина. Стереодекодер автоматически переходит из режима «моно» в режим «стерео» и обратно. Тем не менее предусмотрена воз-
Выход НЧ Выход НЧ левый канал правый канал
Рис. 2.35. Структурная схема ТАЙ 127
’Настройка" 'Стерео'
ложность перевести его в режим «моно» принудительно Других особенностей микросхема не имеет.
Автор предлагает читателю для повторения на выбор два простых варианта приемника, построенных на основе ТА8127. Первый вариант перестраивается с помощью КПЕ, второй — с помощью ва-рикапных матриц. Какой вариант выбрать — читатель решит самостоятельно, по своим возможностям.
Принципиальная электрическая схема приемника с использованием блока КПЕ-2 приведена на рис. 2 36 Сравните эту схему с рис. 2.20. Видите сходство? Внешнее расположение выводов на корпусе микросхемы не слишком сильно отличается, мало отличий и в построении навесных цепей. Если разобраться во внутреннем устройстве, окажется, что и там можно найти много общих схемотехнических решений Соответственно одинаковыми окажутся номиналы некоторых элементов и принципы первоначальной настройки после сборки Подробно останавливаться на методике настройки мы не будем, поскольку она достаточно хорошо описана в предыдущем разделе. Незнакомыми и, следовательно, заслуживающими внимания являются практические сведения относительно стереофонического тракта.
Рис 2.36. Принципиальная электрическая схема стереофонического приемника на базе ТА8127 с использованием КПЕ
Частота внутреннего ГУН стереодекодера устанавливается подстроечным резистором R4 (типа СПЗ-38 или аналогичный, подходящий по габаритам и установочным размерам). Последовательно с этим резистором включено постоянное сопротивление R5, служащее для сужения диапазона регулировки частоты ГУН и соответственно повышения точности установки этой частоты (снижения «остроты» настройки). Такая схема рекомендована разработчиками фирмы-производителя (рис. 2.37, б). Еще одна рекомендация заключается в том, что в качестве конденсатора С15 лучше выбрать элемент с максимально малым ТКЕ (температурным коэффициентом емкости). В идеале подойдет пленочный конденсатор, который обладает весьма стабильными температурными характеристиками. Впрочем, если таковых конденсаторов в хозяйстве радиолюбителя не найдется, не нужно расстраиваться по этому поводу — ставьте тот, который нашли (как это было и в авторском случае). Но тогда будьте готовы к тому, что в 20-градусный мороз, если, конечно, вам захочется слушать музыку при такой температуре окружающего воздуха, возможно пропадание стереозвука. Объясняется такое явление просто — при температурах, значительно отличающихся от той, при которой настраивался стереотракт, частота свободных колебаний ГУН выходит из частотной области, в которой возможен захват пилот-тона. Зависимость частоты колебаний ГУН от температуры показана на рис 2 37, а.
Резистор R6 служит для согласования входного сопротивления пьезокерамического фильтра с контуром L3. По правде говоря, при исключении этого резистора ровным счетом ничего не меняется в качестве звука стереопередачи Однако, поскольку разработчики этот резистор ввели, оставим его и мы.
Элементы С8, С9, VD1, Rl, R2 являются внешними элементами цепи ФАПЧ, стабилизирующей частоту гетеродина при приеме полезного сигнала. Цепь R2, С9 — фильтр низкой частоты, который, во-первых, исключает шунтирование входа стереодекодера емкостью С9, а во-вторых, отфильтровывает высокочастотные колебания (в данном случае высокочастотные колебания — это колебания звуковой частоты). Резистор R1 задает смещение перехода варикапа VD1. Конденсатор С8 регулирует коэффициент включения варикапа в контур гетеродина, тем самым позволяя варьировать полосу удер-
Рис. 2.37. Зависимость частоты свободных колебаний ГУН стереодскодера от температуры окружающей среды при использовании пленочного конденсатора (а) и рекомендуемая схема внешней цепи (б)
жания системы ФАПЧ. В этой связи читателю будет интересно узнать, как «на слух» работает система фазовой автоподстройки частоты гетеродина. При небольшой расстройке конденсатора С5 принимаемая станция нс меняет громкость, тембр, не появляются искажения. При значительной расстройке в какой-то момент времени станция пропадает или изменяет качество скачкообразно, с глухим звуком, отдаленно напоминающим звук открываемой бутылки шампанского. При настройке приемника можно задать желаемую полосу удержания емкостью С8, однако здесь главное — не переборщить. Если полоса удержания станет очень широкой, резкий скачок иастоты настройки («хлопок шампанского») может просто «перепрыгнуть» через близкорасположенную станцию, захватив следующую за ней. Попытка обратной перестройки, как правило, ничего не Дает — приемник опять «проскочит» эту станцию, только в обратную сторону Как традиционно решалась эта проблема? Обычно вводили кнопку отключения ФАПЧ, вручную отключая слежение при Перестройке. Вы тоже можете ввести отключаемую ФАПЧ в этой конструкции, коммутируя нижний (по схеме) вывод резистора R2 то к выводу 19 микросхемы D1, то к средней точке дополнительного резистивного делителя, включенного между шиной питания и общим Проводом. Коэффициент делителя нужно подобрать так, чтобы при
переключении станция не «уходила» скачком. Впрочем, по мнению автора, в данной конструкции отключаемая ФАПЧ — излишество Полоса удержания выбрана оптимальной и большинство читателей должна устроить
Переключателем S1 можно принудительно перевести стерео декодер в режим «моно», замкнув его контакты. Конечно, как мы говорили, при недостаточном для высококачественного стереоприема уровне входного сигнала стереодекодер перейдет в режим «моно» автоматически Тем не менее иногда приходится пользоваться «принудительной» кнопкой, поэтому рекомендуется предусмотреть ей место на передней панели вашего стереофонического приемника.
Светодиоды HL1 и HL2 включены последовательно с токоограничительными резисторами R7 и R8. Конденсаторы С16 и С17 корректируют частотные предыскажения стереосигнала.
Приемник смонтирован на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис. 2.38, а), монтажный чертеж приведен па рис 2 38, б. Катушки L1 и L2 намотаны на гладких каркасах диаметром 5 мм и имеют латунные подстроечники длиной 5—6 мм с резьбой М4. Катушка L1 содержит 5 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,4—0,5 мм, катушка L2 — 6 витков того же провода. После намотки пропитайте обе катушки парафином. После настройки закрепите парафиновой капелькой латунные сердечники. Катушки L3 и L4 намотаны на трех- или четырехсекционных полистироловых унифицированных каркасах с подстроечниками из феррита марки 100НН. Количество витков: L3.1 — 13, L3.2 — 2, L4 — 16 Провод — ПЭВ-2 или другой подходящий диаметром 0,1—0,12 мм.
После настройки приемника по методике, описанной в разд. 2.2, настройтесь на любую радиостанцию западного УКВ диапазона, вещающую в стереорежиме, и резистором R4 установите режим «стерео». Об установлении стереорежима, выражающегося в захвате пилот-тона встроенным ГУН, свидетельствует зажигание светодиода HL2.
Второй вариант приемника на базе ТА8127, предлагаемый для повторения читателям, отличается, во-первых, тем, что перестраивается по диапазону с помощью варикапных матриц. Во-вторых, в нем не использована цепь гетеродинной ФАПЧ И в-третьих, имеется дополнительный каскад, который буферирует сигнал гетеродина и выдает его на внешний контакт платы. Этот вариант приемника исполь-
а)
Переключатель стерво/моно 'принудительно* ><J51
Выход НЧ Выход НЧ левый канал правый канал
б)
зовался автором для изучения работы цифровых синтезаторов частоты их программирования настройки, «обкатки». И тем не менее сам по себе разработанный приемник получился настолько удачным в плане стабильности и надежности работы, что его можно рекомендовать как самостоятельную законченную конструкцию Читатель может просто не устанавливать элементы «отвечающие» за буфериро вание гетеродинного сигнала. А самые пытливые, не удовольствовавшись конструкциями, описанными в книге, могут продолжить эксперименты, взяв этот приемник в качестве отличного объекта экспериментов К нему легко «пристраивать» различные устройства электронной настройки, включая синтезаторы.
Так как в этой конструкции для перестройки по диапазону и пользуется варикапная матрица, ее «хватает» точно на западный УКВ диапазон при изменении напряжения смещения от 2 до 27 В. Оказалось, что в условиях такой «плавности» перестройки цепь ФАПЧ (введе шая автором способом навесного монтажа) можно исключить Можно быть уверенным, что приемник, простояв месяц в выключенном состоянии, будучи однажды включенным, не «собьет» настройки, как это часто бывает в случае использования низковольтных настроечных элементов.
Принципиальная электрическая схема этого приемника приведена на рис 2 39, печатная плата показана на рис 2 40, а, монтажный чертеж — на рис 2 40 б Дополнительных пояснений эта схема не требует. Намоточные данные катушек такие же, как и в предыдущем примере Номиналы остальных элементов приведены на рис. 2.39. Если вам не нужен буферированный сигнал гетеродина, можете смело исключать из схемы элементы R5 R6 R7, VT1 С5
Еще одна достойная внимания микросхема LA1816 выпускается японской фирмой «Саньо» По традиции в ее составе имеются оба тракта — AM и ЧМ а также встроенный стереодекодер. Единственное, что отсутствует в этой микросхеме, — это индикатор точной настройки. Зато отсутствуют и трудоемкие индуктивные элементы тракта ПЧ. Вместо них использованы пьезокерамические фильтры ПЧ и дискриминатор CDA Структурная схема приведена на рис. 2.4 L Цифрами на ней обозначены:
1 — усилитель радиочастоты тракта AM;
2 — смеситель тракта AM;
Рис 239. Принципиальная электрическая схема стереофонического приемника на базе ТА8127 с использованием элементов электронной настройки
3 — усилитель радиочастоты тракта ЧМ,
4 — смеситель тракта ЧМ;
5 — стабилизатор напряжения
6 гетеродин тракта ЧМ
7 — схема питания гетеродинной части;
8 — усилитель ПЧ ЧМ тракта,
9 — гетеродин ЛМ тракта;
52,5
а)
Выход НЧ Выход НЧ
6)
10 — усилитель ПЧ ЛМ тракта;
11 — частотный детектор;
12 — предварительный усилитель стереодекодера;
13 — схема АРУ AM тракта;
14 — амплитудный детектор;
15 — общий вывод трактов ВЧ и ПЧ;
16 — повторители напряжения;
17 — детектор пилот-сигнала;
18 — фазовый детектор стереодекодера;
19 — общий вывод тракта стереодекодера;
20 — стереодекодер;
21 — триггер;
22 — драйвер индикатора «стерео»;
23 — схема питания стереодекодсра;
24 — ГУН;
25—27 — делители частоты ГУН;
28 — схема переключения «моно/стерео».
Рис. 2.41, Структурная схема LA1816
Таблица 2.14. Назначение выводов LA1816
1 Вывод подключения магнитной антенны АМ тракта
2 Выход смесителя тракта ЧМ
3 Вывод подключения конденсатора схемы АРУ
4 Вход усилителя ПЧ тракта ЧМ
5 Выход смесителя тракта АМ
6 Общий вывод стереодекодера
7 Вход усилителя ПЧ тракта АМ
8 Вывод питания стереодекодера
9 Вывод подключения индикатора «стерео»
10 Вывод принудительного включения режима «моно»
11 Вывод переключения АМ/ЧМ
12 Вывод настройки частоты ГУН стереодекодера
13 Выход НЧ левый канал
14 Выход НЧ правый канал
15 Вход стереодекодера
16 Выход предварительного усилителя НЧ
17 Вывод подключения дискриминатора CDA
18 Питание гетеродинной части
19 Вывод подключения контура гетеродина АМ
20 Вывод подключения контура гетеродина ЧМ
21 Вывод встроенного стабилизатора
22 Вывод подключения контура преселектора ЧМ
23 Общий вывод ВЧ трактов
24 Вход ВЧ ЧМ тракта
Таблица 2.15 Основные технические характеристики LA1816
Параметр технических условии Мин. Норма Макс. Ед. изм
Напряжение питания 1,8 3 6 В
Ток потребления в режиме ЧМ в режиме АМ 8,9 3,3 15 5.5 мА
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. • м— мм Ед. изм
Максимальная чувствительность (отношение «сигнал/шум» 3 дБ) — 12 — дБ/мкВ
Напряжение, развиваемое гетеродином l(Af = 108,7 МГц) 75 110 160 мВ
Общие гармонические искажения тракта ПЧ (1/™= 100 дБ/мкВ) — 0.7 3,0 %
[Отношение «сигнал/шум» тракта ПЧ (О.Т= 100 дБ/мкВ) 70 75 — ДБ
[Несимметрия каналов — 0 2.0 ДБ
(разделение каналов 25 34 — ДБ
[Общие гармонические искажения тракта стереодекодера — 0,6 2,5 %
Пиастр +5В
0.022МК
0.022МК
С11
6.3В
Z3 I CDA10.7
J- С14 Т6800
R1
10 .ЮОк
R5 ЮОк т---ГП-п сю |ф750
VD1 VD2
DA1 LA1816
SFE10.7MA5
R8 510
С16 1000
R6
620
Выход НЧ левый канал
Z1
SFE10.7MA5
VD1...VD4 - КВ109В(Г)Т
VD5- КВ109А(Б) HL1 АЛ307Б
JJ53MK
6.3В
R2 — Юк И
С9 J+ 1мк"Г 6.3В
Т6800 правый канал
Рис. 2.42. Электрическая принципиальная схема приемника на базе микросхемы LA1816
52,5
а)
S1 сгерес/ МОНО
Пиастр ♦ 5В
б)
Рис. 2.43. a — печатная плата; б — сборочный чертеж
Особенностью этой схемы является последовательное включение двух пьезоксрамических фильтров Z1 и Z2 для увеличения избирательности по соседнему каналу. Нечто подобное встречалось читателю в разделе, рассказывающем о монофонических приемниках Если помните, в микросхеме ТЕА5710 тоже должно быть подключено два пьезокерамических фильтра, однако они разделяются (буферируются) дополнительным усилителем промежуточной частоты. Теперь читателю стало понятно, что включать каскадно пьезокерамические фильтры
тоже допустимо, но несколько хуже Почему? Дело в том, что фильтр ослабляет сигнал, приближает его к уровню шумов. Если в середине каскадного соединения фильтров будет усилитель, он компенсирует ослабление, вызванное первым фильтром, и в результате на входе второго усилителя присутствует по уровню такой же сигнал, какой получается с помощью одного ФПЧ. Простое каскадное соединение вынуждает поднимать коэффициент усиления единственного УПЧ.
Если вам не удалось приобрести дискриминатор CDA (к сожалению, дискриминаторы пока менее распространены на отечественном рынке, нежели пьезокерамические ФПЧ), не отчаивайтесь. Его с успехом заменит классический эквивалент, приведенный на рис. 2.44 Катушка индуктивности намотана на унифицированном полистироловом каркасе с подстроечником 100НН проводом ПЭВ-2 диаметром 0,1—0,12 мм. Количество витков — 10. Конечно, размеры эквивалента окажутся заметно большими, и это потребует небольшой корректировки печатной платы. Можно и просто смонтировать эту схемку способом навесного монтажа.
К выводу 17 DA1
Ср 30
Рис. 2.44. Эквивалент дискриминатора CDA
В приемнике имеется система гетеродинной ФАПЧ, построенная на элементах R5, R4, С6, С9, VD1. Сборку и налаживание приемника Проводят по классической схеме, описанной ранее.
Микросхема ТЕА5711, производимая фирмой «Филипс», является продолжением монофонического варианта той же фирмы — ТЕА5710 Отличие состоит в том, что в ТЕА5711 введен стереодеко-Дер, в остальном все узлы остались прежними. На рис. 2.45 показана уктура микросхемы. Цифрами обозначены:
1 — усилитель радиочастоты ЧМ тракта;
2 — стабилизатор напряжения;
3 - усилитель радиочастоты ДМ тракта;
4 — смеситель ЧМ тракта;
5 гетеродин ЧМ тракта;
6 — гетеродин AM тракта;
7 — смеситель AM тракта;
8 — усилитель ПЧ ЧМ №1;
9 — усилитель ПЧ ЧМ №2;
10 — частотный детектор;
11 — схема АРУ АМ/ФАПЧ ЧМ;
12 — усилитель ПЧ AM тракта'
13 — схема переключения АМ/ЧМ;
14 — индикатор точной настройки;
15 — амплитудный детектор;
16 — фазовый детектор стерсодекодера;
17 — схема переключения;
18 — детектор пилот-сигнала;
19 — схема управления;
20 преобразователь «напряжение-ток»;
21 — ГУН стерео декодера;
22 — схема задержки;
23 — схема мягкого шумопонижения;
24 — переключатель «мопо/стерео»;
25 — делитель;
26 — синхронный детектор;
27 — матрица;
28 — драйвер индикатора «стерео»
Таблица 2 16 Назначение выводов ТЕА5711
1 Не задействован
2 Выход НЧ левого канала
3 Выход НЧ правого канала
4 Вывод фильтра детектора пилот-сигнала
5 Вывод подключения дискриминатора частотного детектора
6 Общий вывод тракта ПЧ, детекторов и стереодекодера
7 Вход усилителя ПЧ ЧМ №2
L8 Выход стабилизатора напряжения (В)
9 Выход усилителя ПЧ ЧМ №1
10 Выход/вход усилителя ПЧ AM
11 Вход усилителя ПЧ ЧМ №1
12 Выход стабилизатора напряжения (А)
! 13 Выход смесителя тракта ЧМ
14 Выход смесителя тракта AM
15 Вход усилителя ПЧ AM
16 Вход радиочастоты тракта ЧМ
1 17 Общий вывод усилителя радиочастоты тракта ЧМ
I 18 Вывод подключения магнитной антенны тракта AM
19 Вывод подключения блокировочного конденсатора
20 Вывод подключения конденсатора АРУ/ФАПЧ
21 Вывод подключения контура преселектора
22 Общий вывод тракта радиочастоты
Ггз Вывод подключения контура гетеродина ЧМ
,24 Вывод подключения контура гетеродина AM
25 Питание
26 Вывод индикатора точной настройки
27 Вывод переключения «АМ/ЧМ» настройки ГУН
28 Выход частотного/амплитудного детектора
29 Вход стереодекодера
30 Вывод подключения индикатора «стерео»
31 Вывод принудительного включения режима «моно»
32 Вывод конденсатора системы шумопонижения
Таблица 2.17 Основные технические характеристики ТЕА5711
Параметр технических условий Мин. Норма Макс Ед изм
Напряжение питания 1.8 3 12 В
Ток потребления: в режиме ЧМ в режиме AM 13,5 11 9 16,5 150 20,2 18,9 мА
Максимальная чувствительность (отношение «сигнал/шум» 3 дБ) 0.4 1 2 3,8 мкВ
Номинальная чувствительность (отношение «сигнал/шум 26 дБ) 1,0 2,0 3.8 мкВ
Коэффициент усиления преселектора 12 18 22 ДБ
Общие гармонические искажения (Af = 22,5 кГц) — 03 0.8 %
Номинальный ток индикатора точной настройки (в режиме настройки на несущую) 190 255 320 мкА
Несимметрия каналов НЧ 1 5 0 1,0 ДБ
Общие гармонические искажения — 0,5 1.0 %
Отношение «сигнал/шум» тракта стереодекодера — 74 — ДБ
Разделение стереоканалов 26 30 0 ДБ
Электрическая принципиальная схема приемника приведена на рис. 2.46, печатная плата и сборочный чертеж соответственно на рис. 2.47, а и 2 47, б. Особенностей сборки и настройки эта конструк* ция также не имеет. Намоточные данные катушек L1 и L2 аналогич-
Рис 2.46. Электрическая принципиальная схема приемника на базе ТЕА5711
ны предыдущим. Катушка L3 бескаркасная, содержит 2,5 витка про вода ПЭВ-2 диаметром 0,4—0,5 мм, намотанного на оправке диаметром 5 мм. Витки имеют шаг 0,8 0,9 мм
47,5
50
а)
Выход НЧ L—<WA1
б)
Последняя конструкция, о которой рассказывается в этом разделе, построена на основе микросхемы СХА1538 производства фирмы «Sony». Интересно отметить, что ее аналог СХА1238, выпускаемый той же фирмой, полностью совместим и по алгоритму функциониро-в 1ия, и по расположению выводов. Однако СХА1238 выпускается в SMD корпусе, что затрудняет ее установку на печатную плату радиолюбительскими методами. Вообще, как вы уже, надеюсь, заметили, все практические конструкции, описанные в этой книге, предполагают использование микросхем, выпускаемых в корпусах DIP и ми-ни-DIP. Именно для таких корпусов разработаны печатные платы. Конечно, если читателю представится возможность приобрести только SMD корпус, сильно огорчаться по этому поводу не стоит, поскольку различие наблюдается только в конструктивном исполнении, а никак не в функционировании. Проще всего в этом случае не дорабатывать печатную плату, а аккуратно распаять SMD корпус тоненькими проволочками, вставив их в отверстия па печатной плате после подпайки к выводам микросхемы. К счастью, отечественные поставщики электронных компонентов, ориентированные на потребителей, связанных с ремонтом электронной техники (а таких у нас в стране много), предлагают больше В1Ровские корпуса.
В то время, когда эта книга находилась в процессе написания, автору понадобилось разыскать в сети Интернет документацию по применению СХА1538. Не найдя таковой па сервере производителя (что немало удивило) и продолжив поиски на других сайтах, автором был обнаружен ее полный аналог ЭКР1087ХА9 (другое название ILA1238NS), заявленный к производству белорусской фирмой «Интеграл». К сожалению, не удалось найти никаких сведений о том, производится ли в Минске эта микросхема, или пока находится в стадии запуска в производство. Во всяком случае, просмотр прайс-листов поставщиков электронных компонентов, а также просмотр предложения электронного справочника http://www.icmicro.ru не привели к положительному результату. СХА1538 во многих перечнях имеется (ее стоимость порядка двух долларов), а вот аналог не упоминается нигде. К сожалению следует добавить
Еще одна проблема информационного характера, с которой пришлось столкнуться автору, это восстановление технических Данных по отрывочным источникам [41 — 44]. Судить о параметрах
СХЛ1538 пришлось по параметрам ЭКР1087ХА9, поэтому не исключено, что параметры прототипа могут незначительно отличаться в большую или меньшую сторону от приведенных. Впрочем, если речь идет о прототипе, отличия не представляются существенными.
На структурной схеме, показанной на рис. 2.48, цифрами обозначены:
1 — ГУН стереодекодера;
2 — источник опорного напряжения стереодекодера;
3 — делитель частоты ГУН;
4—5 — фазовый детектор стереодекодера;
6 — переключатель «моно/стерео»;
7 — усилитель постоянного тока;
8 — декодер и усилитель НЧ сигнала;
9 — буферный усилитель;
10 — стабилизатор опорных напряжений;
11 — схема автоматического управления режимом «моно/стерео»;
12 — входной стабилизатор;
13 — блок определения уровня сигнала для подстройки частоты ГУН;
14 —15 — усилитель постоянного тока;
16 — гетеродин, УВЧ и смеситель тракта ЧМ;
Рис. 2.48. Структурная схема СХА1538
17 — гетеродин, УВЧ и смеситель тракта AM, 18 — буферный усилитель;
19 — УГГЧ ЧМ и частотный детектор;
20 — УПЧ AM и амплитудный детектор;
21 — блок управления бесшумной настройкой;
22 — драйвер индикатора точной настройки.
Таблица 2.18. Назначение выводов СХА1538
1 Вывод подключения ФНЧ ГУН стереодекодера
2 Объединен с выводом 1
1 3 Вывод конденсатора детектора пилот-тона
4 Вывод индикатора режима «стерео»
5 Выход правого канала
6 Выход левого канала
7 Питание
8 Вывод подключения блокировочного конденсатора
9 Вывод конденсатора АРУ/ФАПЧ ЧМ
10 Вывод подключения конденсатора ФАПЧ ЧМ
11 Общий вывод трактов ПЧ и детекторов
12 Вывод индикатора точной настройки
13 Вход тракта ПЧ ЧМ
14 Вход тракта ПЧ AM
15 Вывод переключения АМ/ЧМ
16 Выход смесителей трактов AM и ЧМ
17 Общий вывод ВЧ AM и ВЧ ЧМ
18 Вход усилителя радиочастоты ЧМ
19 Вход тракта ВЧ AM
20 Вывод подключения контура преселектора ЧМ
21 Вывод источника опорного напряжения
22 Вывод гетеродина ЧМ тракта
23 Вывод варикапа системы ФАПЧ
24 Вывод гетеродина AM тракта
25 Вывод конденсатора постоянной времени БШН
26 Вывод подключения дискриминатора CDA
27 Вывод установки частоты ГУН стереодекодера
28 Вывод источника опорного напряжения стереодекодера
29 Вывод подключения ФНЧ ГУН стереодекодера
30 Общий вывод стереодекодера
Таблица 2 19. Основные технические характеристики СХА1538
Параметр технических условий Мин. Макс Ед. изм
Напряжение питания 2,0 9.0 В
Ток потребления: в режиме ЧМ в режиме AM 7,0 5,0 15 12 мА
Максимальная чувствительность (отношение «сигнал/шум» 3 дБ) 1.0 1,2 мкВ
Коэффициент усиления преселектора 28 42 дБ
Номинальный ток индикатора точной настройки (в режиме настройки на несущую) 1,8 7,0 мА
Номинальный ток индикатора «стерео» 1,8 5,0 мА
Коэффициент ослабления выходного сигнала в режиме БШН 16 30 ДБ
Разделение стереоканалов 30 — ДБ
Общие гармонические искажения (Of = 75 кГц, fm = 1 кГц) — 2,0 %
Принципиальная электрическая схема приемника приведена на рис. 2.49. Остановимся на некоторых ее особенностях. Как вы уже знаете, во всех предыдущих конструкциях, если возникала необходимость в использовании гетеродинной ФАПЧ, приходилось включать внешний варикап. В этой микросхеме варикап встроен в кристалл и расположен между выводами 21—23, поэтому остается только пра вильно его подключить В зависимости от положения принимаемой частоты и частоты гетеродина необходимо использовать разные управляющие напряжения. Тут мы встречаемся с такой интересной особенностью система ФАПЧ, как работа «наоборот» В результате обратной работы ФАПЧ полоса удержания не расширяется, а сужается. Практически это выражается в невозможности точно настро иться на принимаемую частоту. В тот момент, когда, казалось бы, должен «пойматься» максимум настройки, происходит прыжок через
Рис. 2 49. Принципиальная электрическая схема приемника на базе СХА1538
это максимум на другой край. Чтобы избежать таких неприятностей, в микросхему ввели возможность выбора управления системой ФАПЧ. Если частота гетеродина ниже принимаемой частоты, используется напряжение с вывода 9, если выше — с вывода 10. Естественно, что для регулировки полосы удержания системы ФАПЧ можно поварьировать величиной конденсатора С14
Частота свободных колебаний ГУН стереодекодсра регулируется резистором R14 Разработчики микросхемы отмечают, что, поскольку система автоматического переключения режимов «моно/стерео» тщательно проработана, нет необходимости вводить в схему выключатель принудительного включения режима «моно».
Для индикации режима «стерео», а также для контроля настройки используются светодиодные индикаторы HL1 и HL2. Чтобы система индикации работала правильно, надежно включала и выключала светодиоды, в схему введены резисторы R5 и R6. Элементы R8, С8 и R9, С9 — цепи коррекции предыскажений звукового сигнала. В данной схеме приведенные номиналы обеспечивают работу с постоянной 75 мкс. Для получения возможности работать с постоянной 50 мкс необходимо скорректировать значение емкости конденсаторов С8 и С9 до величины 0,0082 мкФ.
В частотном детекторе приемника используется дискриминатор CDA, включенный последовательно с резистором R12 для снижения гармонических искажений. Разработчики рекомендуют при необходимости подобрать этот резистор в целях снижения искажений при использовании некоторых типов CDA. Конечно, можно воспользоваться и эквивалентом. При этом, как указано в технических условиях, несколько ухудшится чувствительность приемника (на 2—3 дБ). Эквивалент дискриминатора может быть изготовлен по методике, приведенной для приемника на микросхеме LA1816 (пролистайте назад несколько страниц). Резистор R12 в этом случае можно исключить
Микросхема имеет так называемую «мягкую систему шумопонижения», или бесшумной настройки. Читатель может по вкусу вы брать вариант со включенной или отключенной БШН. В схеме предусмотрена такая возможность. Для варианта включенной системы БШН резистор R15 устанавливать нс нужно. Естественно, можно попробовать оба варианта и остановиться на лучшем В авторском варианте резистор R15 отсутствует.
Приемник собран на печатной плате, изображенной на рис. 2.50, а, по монтажному — рис. 2.50, б. Намоточные данные, а также конструкция L1 и L2 традиционны Элементы R8, R9, С8, С9 можно использовать из широко распространенного 5% номинального ряда, однако их желательно приобрести из одной партии для максимальной симметрии. Настраивают приемник по классической методике.
57,5
47.5
а)
Вот, уважаемый читатель, мы и подошли к завершению раздела, рассказывающего об однокристальных стереофонических УКВ приемниках. Теперь вы с легкостью сможете изготовить вполне работоспособную конструкцию не только для себя, но и для своих друзей. Мы вернемся к однокристальным микросхемам в разделе, посвященном цифровой настройке. А если в вашем распоряжении уже имеется промышленный монофонический УКВ приемник и вам хочется превратить его в стереофонический? Что делать? Извлекать монофоническую начинку, на корню переделывать схему? Задумайтесь — нужно ли делать эту непростую работу? Гораздо проще дополнить приемник современным стерсодекодером, сохранив его электрические «внутренности». Поможет вам в этой работе следующий раздел.
2.4. Стереодекодеры на все вкусы
В этом разделе автор собирается познакомить читателя с современными стереодекодерами, рассчитанными на работу как в отечественном, так и в зарубежном частотных диапазонах УКВ. Вполне возможно, что читатель может посчитать вопросы, связанные со стерео-декодерами, не заслуживающими особого внимания В самом деле, если разработаны универсальные однокристальные радиоприемники, к чему «городить огород»? Если монофонический приемник имеет ценность как самостоятельное функционально законченное устройство, то стереодекодер никак нельзя назвать самоценным устройством. Стереодекодер может работать только в составе УКВ приемника, причем, как мы знаем, не любого, а того, который принимает частоты определенного диапазона. Учитывая сказанное, стерео-декодер превращается в узкоспециальное устройство...
И все же в практике радиолюбителя сплошь и рядом могут встретиться случаи, когда необходимо изготовить именно отдельный сте-реодекодср. Например, если в хозяйстве имеется старенький монофонический, но вполне работоспособный радиоприемник и хочется модернизировать его. Или желание получить стереофоническое звучание от магнитолы, перестроенной на другой диапазон. Или друзья попросили починить вышедший из строя редкий импортный аппарат, для которого не найти штатного стереодекодера. Наконец, впол-
нс возможно доработать красивую китайскую магнитолу-подделку, купленную «по случаю» (коих в последнее время имелось в достатке на отечественном рынке), превратить ее в полноценную. В таких случаях знакомство с параметрами, принципами сборки, настройки и эксплуатации стереодекодеров окажутся отнюдь не лишними.
Рассказывать о всей номенклатуре стереодскодеров с пилот-тоном очень сложно В мире выпускаются сотни наименований микросхем, выполняющих эту функцию. Конечно, среди них много похожих, но тем не менее в рамках этой книги будет рассказано лишь о трех. Первый — типовой, широкого применения, второй — низковольтный, для использования в карманных радиоприемниках, третий — высококачественный, имеющий множество дополнительных сервисных функций, предназначенный в основном для автомобильной техники. Однако начать хочется не с них, а с рассказа об отечественных стереодекодерах, работающих в системе с полярной модуляцией. За прошедшее десятилетие их было выпущено всего три разновидности, причем две первых практически «сошли с дистанции».
Самая первая отечественная разработка на основе системы ФАПЧ — К174ХА14. Она использовалась в составе хорошо всем известного тюнера «Радиотехника Т-7111 стерео», выпускалась массово. Микросхема имеет большой 24-выводной корпус DIP, громоздкие внешние цепи частотной коррекции. К ее недостаткам также следует отнести неприятный на слух громкий щелчок при включении режима «стерео». В остальном стереодекодер надежен в работе, прост в настройке.
Вторая микросхема — К174ХА35 — появилась несколькими годами позже. Автору не известны массовые модели отечественной радиоаппаратуры, в которых использовалась эта микросхема. Однако она широко применялась и применяется радиолюбителями, ими разработано множество интересных конструкций, которые в разное время публиковал журнал «Радио» В распоряжении автора имеется экземпляр К174ХА35, датируемый 1997 годом выпуска. О том, производится ли микросхема сейчас, сказать сложно. Декодер имеет 18-выводной корпус, сокращенное количество внешних элементов По отзывам некоторых радиолюбителей, К174ХА35 менее устойчива в эксплуатации, чем К174ХА14, она имеет тенденцию самопроизвольно терять слежение ФАПЧ, хаотично переключаться между ре
жимами «моно» и «стерео». Впрочем, все эти неприятные эффекты наблюдались при эксплуатации стерсодекодера в автомобиле, где ус-ловия приема сложны и нестабильны. Опыт автора, касающийся эксплуатации микросхемы в домашних условиях, не позволил выявить существенной разницы в качестве декодирования стереосигнала указанных микросхем.
Последняя разработка, выполненная отечественной фирмой «Ангстрем», продолжает 174-ю серию микросхем. Ее наименование — КР174ХА51. Это мультисистемный стереодекодер, предназначенный для работы как в системе с полярной модуляцией, так и с пилот-тоном. Стереодекодер пришелся как нельзя кстати, он имеет отличные характеристики, стабильно работает, в общем, идет «в ногу со временем». Идеи, положенные в основу этой микросхемы, защищены авторским свидетельством. Сама микросхема сопровождается неплохой документацией, имеет на удивление мало внешних элементов. Этот стереодскодер лучше всего использовать в радиолюбительском творчестве
Общий недостаток, присущий всем трем стереодекодерам, заключается в необходимости использования нескольких навесных элементов с повышенной точностью (не хуже 1%). Такая необходимость продиктована использованием в системе полярной модуляции контура подавления поднесущей па 14 дБ, а также прилежащих спектральных составляющих боковых полос. Значительные отклонения восстановления подавленных боковых полос ведут к ухудшению разделения стереоканалов на низких частотах. Каким образом выйти из положения в случае отсутствия точных элементов, будет рассказано чуть ниже. А сейчас рассмотрим типовые схемы включения и внутреннее устройство отечественных декодеров стереосигнала.
К174ХА14 приобрести сегодня уже довольно сложно. Тем не менее иногда эта микросхема еще встречается на радиолюбительских развалах и в прайс-листах солидных компаний, торгующих электронными компонентами. Информация об этом стереодекодере оказалось труднодобываемой. Впрочем, того, что удалось узнать, вполне достаточно для практического применения в конструкциях. Назначение выводов приведено в табл. 2.20, основные технические данные — в табл. 2 21. Если читателя заинтересуют подробности, он может обратиться, например, к публикациям [45, 47]. В отечествен
ной системе не принято маркировать сигналы каналов как «левый» и «правый» Они маркируются как А и Б.
Таблица 2.20. Назначение выводов К174ХА14
1 Вход ОУ коррекции подавления несущей (канал А)
2 Не используется
3 Выход ОУ коррекции подавления несущей (канал А)
4 Выход ОУ коррекции подавления несущей (канал Б)
5 Не используется
6 Вход ОУ коррекции подавления несущей (канал Б)
7 Вывод цепи коррекции предыскажений
8 Вывод цепи коррекции предыскажений
9 Вывод переключателя «моно/стерео»
10 Вывод переключателя «моно/стерео»
11 Выход драйвера индикатора «стерео»
12 Общий вывод
13 Не используется
14 Контроль частоты ГУН
15 Вывод цепи коррекции частотной характеристики петли ФАПЧ
16 Вывод подключения корректирующей емкости
17 Вывод цепи коррекции частотной характеристики петпи ФАПЧ
18 Вывод подключения задающих элементов ГУН
19 Вывод подключения корректирующей емкости
20 Вывод подключения корректирующей цепи
21 Вход НЧ комплексного стереосигнала
22 Питание
23 Опорное напряжение
24 Опорное напряжение
Таблица 2.21. Основные технические характеристики К174ХА14
Параметр технических условий Мин Макс. Ед изм
Напряжение питания 12 16 В
Ток потребления — 30 мА
Параметр технических условий Мин. Макс. Ед. изм
Полоса воспроизводимых частот 40 15000 Гц
Разделение стереоканалов 30 — ДБ
Общие гармонические искажения (f = 1 кГц) — 0,7 %
Входное напряжение НЧ КСС — 250 мВ
Подавление поднесущей на выходах каналов 24 — ДБ
Захват частоты системы ФАПЧ 30500 32000 Гц
Контроль частоты ГУН
31,25 кГц
14 13
На рис. 2.51 изображена принципиальная электрическая схема стереодекодера. Конденсатор СЗ и сопротивление, образованное суммой R2 и R3, должны иметь допуск по своим параметрам не хуже 1%. Если удастся приобрети точный резистор сопротивлением 216 кОм, то можно его впаять вместо R2 и R3. В случае отсутствия точных элементов радиолюбителю придется заняться подбором наиболее близких из распространенных 5%-пого или 10%-ного ряда. Очень хорошо, если в распоряжении окажется современный цифровой тестер с измерителем емкости (такие приборы сейчас имеются в продаже и стоят недорого). Не обойтись также без кассы с различными номиналами резисторов и конденсаторов. При подборе резисторы лучше соединять последовательно, а конденсаторы параллельно. Естественно, составные элементы несколько увеличат общие габариты платы, но с этим можно и смириться.
Интересно рассмотреть, каким образом осуществляется коррек ция НЧ искажений, вносимых на передающей стороне контуром подавления поднесущей. Для коррекции искажений в составе микросхемы предусмотрен каскад, изображенный на рис 2.52. Таких каскадов в микросхеме два, для обоих каналов. Мы опишем работу одного канала.
В публикации [17] показано: спектр разностного сигнала с составляющими выше 1 кГц передастся без искажений и может быть восстановлен простым способом В то же время если не принять надлежащих мер, то частоты ниже 1 кГц будут хуже декодироваться и в районе 300 Гц звучание вообще перейдет в монофоническое. Поэтому с помощью пропорционально-интегрирующего фильтра НЧ составляющие «поднимаются» примерно на 14 дБ, как показано на
Выход НЧ
C15 _ _ ЮОмк-- +упит 25В 15В
Рис. 2.51. Принципиальная электрическая схема стереодекодера полярной модуляции на основе KI 4ХА14
Рис 2.52. Каскад коррекции искажений разностного сигнала микросхемы К174ХА14
рис 2 53, построенном с помощью пакета схемотехнического моделирования MicroCAP V «Завал» на частотах ниже 40 I ц связан с ограниченной величиной емкости С8
Рис. 2.53. АЧХ каскада коррекции искажений разностного сигнала микросхемы К174ХА14
Элементы С12, R13 и С13, R14 — цепи коррекции предыскажений (по-другому опи называются цепями демпфазиса). Произведение C12R13 и C13R14 дает значение 50 мкс. Разработчики микросхемы рекомендуют в качестве конденсатора С6 использовать неполярный электролит Использование полярного конденсатора приводит к неустойчивой работе петли ФАПЧ, хаотическим включением режима «стерео».
Вывод 14 микросхемы предназначен для контроля частоты ГУН при настройке. Впрочем, можно обойтись и без дополнительных сложностей, настроив радиоприемник на станцию и отрегулировав декодер резистором R4 до зажигания индикатора «стерео». Конденсатор С4 лучше использовать с наименьшим значением ТКЕ. К сожалению, микросхему необходимо питать довольно большим по нынешним меркам напряжением
Структурная схема К174ХА35 изображена на рис. 2 54, типовая электрическая схема включения — на рис 2.55 Назначение выводов приведено в табл. 2.22, основные технические данные — в табл. 2.23.
Таблица 2 22. Назначение выводов К174ХА35
1 Общий вывод
2 Вывод подключения частотозадающей цепи ГУН
3 Вывод фильтр фильтра НЧ системы ФАПЧ
4 ФНЧ переключателя режима «моно/стерео»
Г 5 Вывод корректирующего фильтра разностного канала (А — Б)
f 6 Вывод подключения ФВЧ
, 7 Вход НЧ КСС
8 Выход канала (А + Б)
9 Вывод корректирующего фильтра разностного канала (А — Б)
I 10 Вывод подключения конденсатора демпфазиса канала Б
! и Выход канала Б
Выход канала А
113 Управление переключением режимов «моно/стерео»
I 14 Вывод подключения конденсатора дэмпфазиса канала А
15 Вывод блокировочной цепи
16 Выход квадратора
17 Питание
18 Вывод драйвера индикатора «стерео»
Таблица 2.23. Основные технические характеристики К174ХА35
Параметр технических условий Мин. Норма Макс г Ед изм
Напряжение питания 5,4 6 6,6 В
Ток потребления: в режиме «моно» в режиме «стерео» «Г 4,5 11 — мА
Разделение стереоканалов 34 — 60 ДБ
Несимметрия каналов — 0 2 ДБ
Общие гармонические искажения (в режиме «стерео») — 0.3 0,5 %
Отношение «сигнал/шум» (в режиме «стерео») 60 — — ДБ
.Подавление поднесущей на выходе стереодвкодера 20 — — ДБ
Подавление второй и третьей гармоники поднесущей 40 — — ДБ
Уровень входного сигнала НЧ КСС — 250 300 мВ
Рис. 2.54. Структурная схема стереодекодера К174ХА35
Рис. 2.55. Типовая схема включения К174ХА35
и Подробно работа этой микросхемы описана в книге [46], здесь же кратко расскажем, каким образом осуществляется коррекция искажений разностного сигнала, для чего обратите внимание па рис. 2.56. Стереодскодер работает по принципу временного разделения каналов, а значит, необходимо осуществлять коммутацию стереоканалов с помощью ключей 8и1 и Sm2. На входе детектора предусмотрена корректирующая цепь R5, R6, R7, R8, СИ, которая осуществляет коррекцию искажений в соответствии с АЧХ, показанной на рис. 2.57 Если сравнить этот график с рис. 2.53, можно обнаружить много общего. Важно заметить, что все элементы, входящие в цепь коррекции, должны иметь допуск не хуже 1%.
Рис. 2.57. АЧХ каскада коррекции искажений разностного сигнала микросхемы К174ХА35
Типовая схема включения, приведенная на рис. 2.55, особенностей не имеет Резистором R10 устанавливается частота ГУН, при которой происходит гарантированный захват поднесущей. Конденсаторы С2 и С4 вместе со встроенными резисторам сопротивлением 100 кОм образуют цепи коррекции предыскажений (цепи демпфази-са) с постоянной 50 мкс. К недостаткам микросхемы следует отнести жесткие рамки питающего напряжения, а также сильную зависимость уровня разделения стереоканалов от напряжения питания (рис. 2.58, б). Не следует также превышать допустимый уровень входного НЧ КСС сигнала, так как в противном случае резко увеличиваются нелинейные искажения па выходе стереодекодера (рис. 2.58, а).
Возможный вариант печатной платы стереодекодера приведен на рис. 2.59, а, монтаж выполняется по рис. 2.59, б.
Рис. 2.58. Характеристики К174ХА35 а — зависимость общих гармонических искажений (THD) от уровня входного КСС НЧ сигнала; б — зависимость разделения каналов от напряжения питания
47,5
а)
б)
Рис. 2.59. я — печатная плата; б — сборочный чертеж
Микросхема КР174ХА51 появилась на отечественном рынке совсем недавно, поэтому о ее существовании еще мало кто знает Тем не менее освоение в производстве этой микросхемы является очень важным событием для отечественного рынка радиокомпонентов. Как вы наверняка знаете, сегодня наша промышленность практически не выпускает массовой радиоаппаратуры, как это было каких-нибудь
десять лет назад. Естественно, всему виной экономическая ситуация однако не только она, но еще и отсутствие современной перспективной элементной базы. Сегодня, когда экономика страны не спеша, но все-таки движется к нормальному состоянию, появление новых элементов может подвигнуть отечественного производителя аппаратуры к возрождению. А пока новые разработки интересуют в основном отряд радиолюбителей.
Стерео декодер КР174ХА51 построен по схеме с временным разделением каналов, имеет систему ФАПЧ, цепи дополнительного подавления пилот-тона и схему подавления сдвига по постоянному уровню В результате значительно снижается уровень интермодуляции в тракте усилителя звуковой частоты, а также исключается неприятный щелчок при включении режима «стерео» в системе с полярной модуляцией. При использовании элементов с повышенной точностью для задания частоты ГУН стереодекодер вообще можно не настраивать. Предусмотрена возможность автоматического опознавания системы кодирования стереосигнала, при необходимости се принудительное задание, а также принудительный перевод в режим «моно». Микросхема выпускается в корпусе DIP-18.
Таблица 2 24. Назначение выводов КР174ХА51
1 Вход фазового детектора
2 Вход обратной связи фазового детектора
3 Выход фазового детектора
4 Общий вывод
5 Вывод времязадающего конденсатора ГУН
6 Вывод времязадающего резистора ГУН
7 Вывод драйвера индикатора «стерео»
8 Вход задания системы декодирования стереосигнала
9 Выход правого канала
10 Выход левого канала
11 Предварительный выход правого канала
12 Вход коррекции НЧ предыскажении в режиме полярной модуляции
13 Вход коррекции НЧ предыскажений в режиме полярной модуляции
14 Предварительный аыход левого канала
' 15 Питание
16 Вход НЧ КСС
17 Вывод блокировочного конденсатора входного каскада
18 Вывод блокировочного конденсатора детектора пилот-тона
Таблица 2.25 Основные технические характеристики КР174ХА51
Параметр технических условий Мин Норма Макс. Ед изм.
| Напряжение питания 2,7 6 7,0 В
Ток потребления: в режиме «полярная модуляция» в режиме «пилот-тон» — 5,6 . 5,2 — мА
Напряжение выходного сигнала 150 200 250 мВ 1
Несимметрия каналов — 0.2 1.0 ДБ
Разделение каналов 34 43 — ДБ
Общие гармонические искажения — 0,15 — %
Отношение «сигнал/шум» в режиме «стерео» — 67 — ДБ
Диапазон захвата: поднесущей пилот-тона 29,8 17,9 31,25 19,00 34,1 19,7 кГц
I Номинальный ток драйвера индикатора I«стерео» 0.5 — 0,7 мА
[Номинальный ток по выаодам 9 и 10 — — 0,2 мА
Структурная схема КР174ХА51 показана на рис. 2.60, схема включения — на рис. 2.61. Для коррекции низкочастотных искажений в микросхеме используется нестандартный метод. Обратите внимание на рис. 2.60. Нетрудно заметить, что между выводами 12 и 13 включен конденсатор С5 (рис. 2.61), а резисторы R3 и R4 подключены к выводам предварительных усилителей DA4 и DA6 Понятно, что реактивное сопротивление конденсатора зависит от частоты проходящего через него сигнала. Этот конденсатор, с другой стороны, включен между выводами элемента DA5, представляющего собой дифференциальный ИТУН (источник тока, управляемый напряжением). От величины напряжения, приложенного между входами DA5, зависит ток, формируемый на его выходах. ИТУН управляет коэффициентом передачи усилителей DA7 и DA8. Таким образом, можно
сформировать передаточную характеристику, показанную на рис 2 62 Ее вид нам уже знаком. Более того, мы уже встречались с методами частотно-зависимого управления коэффициентом передачи выходных каскадов. Какую новую идею заложили разработчики в метод коррекции9 Подобная схема некритична к номиналам сопротивлений R3 и R4, то есть имеется в виду, что они могут отличаться друг от друга. Важно выдержать с точностью не хуже 1% значение постоянной времени:
тнч = С9 (R3 + R4).
Значение этой постоянной может быть получено при различных номиналах С9, R3, R4. Во избежание неноминальных режимов разработчики рекомендуют исходить из диапазона суммарных сопротивлений 20—50 кОм.
Подстройку уровня входного НЧ КСС сигнала под номинальный уровень 250 мВ можно осуществить подбором резистора R2. При
Практические конструкции
подстройке коэффициент усиления входного каскада меняется в пределах 1—5 согласно формуле
1 4------
(5+Я2)
Значение R2 необходимо подставлять в кОм.
Рис. 2 61. Электрическая принципиальная схема стереодекодера на базе КР174ХА51
Элементы С9, R7, R8 задают частоту колебаний ГУН. При выполнении допуска на эти элементы С9 = 200 пФ ± 1%, (R7 + R8) = = 4,70 кОм ± 0,5% и напряжении питания 6 В подстройка колебаний ГУН не требуется. Чтобы сократить общее число точных элементов до трех, допуски частотозадающей «навески» могут быть снижены, но тогда резистор R8 должен быть подстроечным. Следует также учитывать, что частота свободных колебаний ГУН зависит (хоть и в небольшой степени) от напряжения питания (рис 2.63). Конденсатор С9 подключен разработчиками микросхемы в целях уменьшения влияния помех на стабильность частоты ГУН. В большинстве случаев его можно вообще исключить без заметного влияния на выходные параметры. Нс рекомендуется использовать микросхему при питании ниже 3 В, так как в противном случае возрастают гармонические искажения сигнала на выходе (рис. 2.64).
Конденсатор С2 задает постоянную времени интегрирования детектора несущей (пилот-тона), его увеличение приводит к увеличению времени опознавания стереосигнала Чтобы принудительно перевести стереодекодер в монофонический режим, предусмотрена цепь SI, Rl, RIO, VT1.
Конденсатор СЮ задает время, за которое осуществляется поочередная проверка признаков той или иной системы стереовещания. Принудительное задание системы «полярная модуляция» осуществляется подключением вывода 8 к общему проводу, система с пилот-тоном задается подключением этого вывода к шине питания. В режиме автоматического определения уровень напряжения на выводе 8 можно использовать для индикации системы стереовещания. Устройство индикации должно иметь большое входное сопротивление (более 1 МОм), чтобы не нарушить нормальную работу автоопределителя. Например, этот сигнал может быть подан на порт микроконтроллера.
Светодиод индикации «стерео» должен обладать минимально возможным падением напряжения в прямом направлении. В качестве этого диода разработчики рекомендуют красные АЛ307Б(БМ) или аналогичные того же цвета Но лучше всего соединить вывод 7 с общим проводом через резистор номиналом 1 кОм, а сигнал с вывода микросхемы подавать на буферную транзисторную схему.
Рис. 2.63. Зависимость отклонения частоты ГУН от изменения напряжения питания микросхемы КР174ХА51
Рис. 2.64. Зависимость общих гармонических искажений (THD) от напряжения питания микросхемы КР174ХА51
В заключение отметим, что этот стереодекодер может послужить основой радиолюбительского приемника, рассчитанного на работу как в отечественном, так и в зарубежном УКВ диапазонах. Такие приемники неоднократно публиковались например, на страницах журнала «Радио» [47]. Для обеспечения стереозвука авторам приходилось «мудрить» с параллельным включением разных стереодеко-деров. Теперь такая необходимость отпадает, следовательно, конструктивное исполнение упрощается
Теперь настало время рассказать о стереодекодерах системы с пилот-тоном.
Микросхема ТА7343АР, производимая фирмой «Тошиба» (полный аналог DBL1009 выпускается фирмой Daewoo) [49], имеет удобный корпус SIP9-P-A, представляющий собой пластину с 9 выводами, расположенных в один ряд на расстоянии 2,54 мм (рис. 2.65). Эта микросхема, при минимуме внешних элементов, имеет все необходимые для стереодекодера узлы и сервисные устройства, как переключатель режима «моно» и индикатор режима «стерео» Разработчики рекомендуют использовать эту микросхему в самом широком спектре радиоаппаратуры в переносных магнитолах, в стационарных музыкальных центрах и в автомобильной аудиотехнике.
На рис 2 66 приведена структурная схема ТА7343АР, на рис. 2.67 — схема включения
Рис. 2.65. Корпус SIP9-P-A
Таблица 2.26 Назначение выводов ТА7343АР
1 Вход НЧ
2 Вывод фильтра петли ФАПЧ
3 Питание
4 Вывод частотозадающих элементов ГУН
5 Общий вывод
6 Вывод драйвера индикатора «стерео»
7 Вывод цепи детектора пилот-тона
8 Выход левого канала
9 Выход правого канала
Рис. 2.66. Структурная схема ТА7343Р
Таблица 2.27. Основнь е технические характеристики ТА7343АР
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед. изм
Напряжение питания 3,5 — 12 В
Ток потребления — 11 18 мА
Максимальный уровень входного сигнала — — 900 мВ
Общие гармонические искажения: в режиме «моно» в режиме «стерео» 0,08 0,08 0,3 %
Несимметрия каналов — 0 1.5 ДБ
Диапазон захвата пилот тона — ±3 — %
Подавление составляющих пилот-тона на выходе: 19 кГц ! 38 кГц — 34 42 ДБ
Отношение «сигнал/шум» в режиме «стерео» — 74 — ДБ
Выходной ток по выводам 8 и 9 (Un„, = 8 В) — 1,2 1.8 мА
Максимальный ток индикатора «стерео» — — 20 мА
На рис. 2.66 цифрами обозначены:
1 — предварительный усилитель;
2 — фазовый детектор;
3 — усилитель постоянного тока петли ФАПЧ;
4 — детектор пилот-тона;
5 — стереодекодер;
6 — ГУН частотой 76 кГц;
7 — триггер;
8 — схема переключения «моно/стерео»;
9 —11 — делители частоты;
12 — стабилизатор напряжения.
На принципиальной схеме (рис. 2.67) резистор R3 служит для подстройки частоты свободных колебаний ГУН до момента захвата пилот-тона. Элементы R6, С6 и R7, С7 предназначены для демпфази-са предыскажений. Номинал выбран с учетом постоянной времени 50 мкс. Для увеличения постоянной времени необходимо увеличить номиналы конденсаторов С6 и С7 до 0,022 мкФ. Все элементы, обозначенные на схеме, имеют стандартные допуски 5 и 10%.
За последние несколько лет широкую популярность приобрели гак называемые плееры Они настолько широко распространены, что читателю нет нужды объяснять, для чего предназначена эта аппаратура и как она устроена. Отметим только, что питание плееров осуществляется от двух пальчиковых батареек и даже при условии вновь вставленного комплекта напряжение питания не может превышать 3 В Реально оно несколько меньше из-за фактора разряда батареи. Поэтому низковольтная аппаратура требует особой элементной базы. Именно для портативных плееров фирмой «Филипс» разработан стереодекодер TDA7040T. Микросхема выпускается в 8-вывод-ном корпусе SOT96-1 с шагом выводов 1,27 мм
Структурная схема TDA7040T показана на рис 2 68, схема включения — на рис. 2.69.
Рис. 2 68. Структурная схема TDA7040T
Таблица 2.28 Назначение выводов TDA7040T
1 Общий вывод
2 Вывод фильтра петли ФАПЧ
3 Вывод частотозадающих элементов ГУН
4 Питание
5 Выход правого канала
6 Выход левого канала
7 Вывод переключения «моно/стерео»
8 Вход НЧ стереосигнала
Таблица 2 29. Основные технические характеристики TDA7040T
Параметр технических условии Мин — Норма Макс. Ед. изм
Напряжение питания 1.8 3,0 6,0 В
Ток потребления — 3 4 мА
Выходное напряжение НЧ — 240 — мВ
Несимметрия каналов — 0 1 ДБ
Выходное сопротивление — 5 — кОм
Общие гармонические искажения — 0,1 0,3 %
Отношение «сигнал/шум» в режиме «стерео» — 70 — ДБ
Разделение стереоканалов — 40 — ДБ
Полоса захвата ГУН — +3 %
Подавление гармоник пилот-тона на выходе: 19 кГц 38 кГц — 30 50 — дБ
Настройка колебаний ГУН осуществляется резистором R5. Конденсаторы С2 и СЗ вместе с выходным сопротивлением микросхемы (5 кОм) образуют цепи демпфазиса с постоянной времени 50 мкс Для увеличения постоянной времени соответственно необходимо увеличить и номиналы конденсаторов С2 и СЗ до 0,015 мкФ. Перевод микросхемы в монофонический режим осуществляется переключателем S1
Теперь представьте, что вам необходимо спроектировать радиоприемник, работающий в сложных и динамично меняющихся условиях приема, например автомагнитолу. Перемещаясь по городу, ав-
Рис. 2.69. Схема включения TDA7040T
томобиль постоянно попадает то в зону уверенного приема, то в зону тени, то в зону высоких помех. Часто неприятный на слух щелчок вызывает импульсная помеха. При перестройке на другую станцию слух режет шум эфира Обыкновенный стереодекодер в таком случае будет постоянно «скакать» между режимами «моно» и «стерео». Между тем известно, что путем снижения уровня разделения стереоканалов можно повышать отношение «сигнал/шум», сохраняя в какой-то мере стереозвучание. Поэтому в автомобильном стсрсодеко-дере лучше не сразу включать режим «моно», а иметь какой-то промежуточный режим с заниженным уровнем разделения каналов Можете также себе представить, что произойдет, если автомобильный приемник, рассчитанный на работу в США, вдруг попадет в Европу? В Европе радиовещательные станции используют другую постоянную предыскажений, поэтому придется влезать в приемник с паяльником, менять цепи демпфазиса. Лучше, когда демпфазис можно настроить без внедрения в схему...
Пожелания, описанные выше, учтены в конструкции микросхемы TDA1591 фирмы «Филипс» Корме того, в ней имеются и другие полезные функциональные узлы, которые нам еще не встречались. Эта микросхема, конечно, немного сложнее тех, что описаны ранее, но наличие дополнительных функций с лихвой окупает все сложности.
Структурная схема TDA1591 приведена на рис. 2 70, схема включения— на рис 2.71.
Рис. 2.70. Структурная схема TDA1591
Откл. вых. усилителя
Таблица 2 30. Назначение выводов TDA1591
I 1 Фильтр петли ФАПЧ
2 Вывод подключения керамического резонатора
3 Общий вывод
4 Опорный токовый выход
[ 5 Питание
I 6 Вход сигнала импульсной помехи
| 7 Вывод отключения ГУН
8 Отключения выходных каскадов от остальной схемы
9 Вход внешнего источника, левый канал
I 10 Выход левого канала
11 Выход правого канала
12 Вход внешнего источника, правый канал
13 Цепь демпфазиса, левый канал
14 Цепь демпфазиса, правый канал
L15 Вывод управления постоянной демпфазиса
16 Управление разделением каналов
17 Опорное напряжение
[ 18 Выход распозначания пилот-сигнала (высокий уровень — наличие)
[ 19 Вывод принудительной установки монорежима
I 20 Вход НЧ стереосигнала
Таблица 2 31 Основные технические характеристики TDA1591
Параметр технических условий Мин Норма Макс Ед. изм.
Напряжение питания 75 10 12 В
Ток потребления — 12 — МА
|Постоянное напряжение на выводах 10 и 11 3,3 38 43 В
Выходное сопротивление по выводам 10 и 11 — 130 — Ом
«Разделение каналов — 40 — дБ
Общие гармонические искажения — 01 0,3 %
|Ртношение «сигнал/шум» (в полосе 20—16000 Гц) 76 ДБ
Параметр технических условий Мин Норма Макс Ед изм
Подавление гармоник пилот-сигнала;
19 кГц — 50 —
38 кГц — 50 — дБ
57 кГц — 46 —
76 кГц — 60 —
Подавление интермодуляционных составляющих
10 кГц — 60 — ДБ
13 кГц — 58 —
Подавление составляющих перекрестных искажений:
114 кГц — 80 — ДБ
190 кГц — 70 —
Подавление пульсаций напряжения питания (100 мВ) — 35 — ДБ
Частота ГУН 452 456 460 кГц
Полоса захвата ГУН —- ±1 — %
Напряжение на выводе 7 (ГУН откл ) 0 — 0.6 В
Входное опорное напряжение на выводе 17 1 — 5 В
Переключение в режим «моно» по выводу 19 0 — 1 В
Ток высокого уровня п< выводу 18 — 200 — мкА
Ослабление сигнала в режиме отключения выходных каскадов от остальной схемы — 80 — ДБ
На рис. 2.70 цифрами обозначены:
1 — входной фильтр НЧ четвертого порядка с частотой среза 80 кГц;
2 — фазовый детектор;
3 — ГУН с частотой 456 кГц;
4 — детектор пилот-сигнала,
5 — стабилизатор напряжения;
6 — схема переключения,
7 — схема логики;
8 — смеситель стереосигнала;
9 — детектор помех
10 — источник опорного тока;
11 — фильтр НЧ второго порядка с частотой среза 30 кГц,
12 — импульсный формирователь;
13 — схема управления усилением и степенью демпфазиса;
14 — детектор шума;
15 — схема гашения пилот-тона.
| Чтобы правильно эксплуатировать микросхему при включении сог 1асно рис. 2.71, необходима некоторая дополнительная информация, приводимая далее Как нам уже известно, все стереодекодеры построены так, что превышение уровня входного сигнала выше номинального уровня вызывает резкий рост гармонических искажений. Поэтому на входе декодера установлен резистор R1, задающий коэффициент усиления входного каскада. Чем больше входной сигнал, гем меньшее усиление требуется. Для указанного на схеме номинала максимальный входной сигнал имеет уровень порядка 1,8 В Чтобы согласовать стереодекодер с другими источниками сигналов, необходимо выбрать величину R1 в соответствии с графиком рис. 2.72.
Для задания частоты колебаний ГУН используется пьезокерамический резонатор Z1, производимый фирмой Murata Использование пьезокерамического резонатора обусловлено, во-первых, желанием отказаться от дополнительной подстройки частоты ГУН, а во-вто-РЫх, тяжелыми условиями эксплуатации микросхемы, когда температура в салоне автомобиля меняется от плюсовой к минусовой. Влияют также влажность, тряска удары В таких условиях резонаторы ведут себя стабильнее, чем классические задающие элементы. Пьезокерамические резонаторы сегодня можно приобрести на отече-венном рынке радиокомпонентов без особых проблем. Можно со
всем отключить ГУН, подав на вывод 7 микросхемы сигнал низкого уровня (например, посредством транзисторного ключа). Сделано это для того, чтобы не создавать дополнительных помех при приеме станций диапазона AM.
Читатель, внимательно изучивший предыдущие разделы, может спросить, зачем предусматривается специальное отключение ГУН, когда обычно в однокристальных приемниках при переходе в диапазон AM отключается все, что связано с диапазоном ЧМ Следовательно, можно и здесь обесточивать микросхему! Оказывается, нельзя! Все дело в том, что выходные каскады микросхемы могут использоваться не только для работы в диапазоне ЧМ, но еще и усиливать сигналы, поступающие, например, от магнитофона или CD-проигрывателя (для чего предусмотрены выводы 9 и 12). Поэтому микросхема всегда должна находиться «под парами». Однако при работе внешних источников сигнала от выходного усилителя должна быть отключена вся остальная часть, связанная с декодером, иначе мы услышим звуковую какофонию. Разработчики учли этот момент и ввели электронную схему отключения, управляемую с вывода 8 При подаче на этот вывод логического нуля происходит отключение выходных усилителей от стереодекодера. Чтобы включить стереодско-дер, необходимо подать на вывод 8 напряжение более 4 В.
Довольно сложной для радиолюбителя может оказаться задействование системы защиты от импульсных помех. Дело в том, что система, управляемая с вывода 6, в момент действия импульсной помехи должна снизить усиление выходного каскада и сразу же восстановить его после прекращения помехи. Отделить помеху от полезного сигнала непросто, поэтому фирмой разработаны микросхемы ПЧ тракта, сопрягаемые с данным стереодекодером, которые формируют управляющий сигнал с помощью так называемого форсирующего детектора (например, TDA1596) Учитывая, что указанная микросхема имеет в своем составе только тракт ПЧ, для построения приемника потребуется вводить преселектор и отдельный смеситель с гетеродином Читателям, занинтересовавшимся данным методом снижения импульсных помех, в качестве смесителя можно порекомендовать микросхему К174ПС1 Но этот рассказ выходит за рамки нашей книги, посвященной простым конструкциям Вообще этот вывод можно оставить неподключенным
Чтобы установить степень разделения стереоканалов в соответствии с условиями приема, можно воспользоваться графиком рис. 2.73. Напряжение на управляющем выводе 16 задано относительно вывода 17, поэтому оно имеет знак «минус». Как практически можно менять этот параметр? Например, коммутировать верхний (по схеме) вывод резистора R7 к общему проводу. Тогда возможно снизить для неважных условий приема степень разделения каналов в 1,5—2 раза, а не предпринимать радикальные меры в виде включения режима «моно» Только в крайнем случае лучше пользоваться выводом 19, «железно» переводящим стереодекодер в монорежим.
Рис. 2.73. График выбора уровня разделения стереоканалов
Конденсаторы С4 и С5 вместе с внутренними резисторами микросхемы образуют цепи демпфазиса Отличие этой микросхемы от описанных ранее состоит в том, что демпфазисом можно управлять. Для управления предусмотрен вывод 15, напряжение на котором задается в диапазоне 0—300 мВ (со знаком «минус») относительно вывода 17. Для указанных на схеме номиналов С4 и С5 постоянная Демпфазиса составляет 50 мкс и плавно изменяется при максимальном изменении управляющего сигнала в 3 раза (в сторону увеличения) Чтобы получить основную постоянную демпфазиса 75 мкс, необходимо увеличить номиналы конденсаторов С4 и С5 до 0,01 мкФ.
Отметим, что цепи демпфазиса можно использовать как ФНЧ, «обрезающий» помехи на высоких частотах в сложных условиях приема.
В заключение этого раздела обрадуем читателя еще одним немаловажным обстоятельством все описанные микросхемы имеют невысокую стоимость (порядка 1,5—2 долларов).
2.5. Немного о выходном сигнале стереодекодера
Изучая конструкции, представленные в этой книге, читатель наверняка обратил внимание на нормы подавления побочных продуктов декодирования стереосигнала (подавление поднесущей, пп-лот-тона и их высших гармоник), приводимые в таблицах. «Неужели эти побочные составляющие настолько опасны, что приходится вводить нормы на их уровень? — спросит читатель. — Ведь они лежат выше диапазона частот, слышимых человеческим ухом». Все правильно, выше. И если пользоваться приемником только в целях прослушивания радиопередач, мы не услышим ни одну побочную гармонику. Однако, если вы захотите использовать собранный радиоприемник для записи на магнитофон полюбившихся мелодий, вас могут настичь неожиданные неприятности. При прослушивании записи, сделанной непосредственно с выхода стерсодекодера, возможно появление характерного свиста. Откуда он возникает на фонограмме, когда в исходном сигнале его не было? Дело в том, что хорошие магнитофоны обязательно имеют узлы высокочастотного подмагничивания и стирания фонограмм. Соответственно в составе записывающего тракта предусматривается генератор стирания-подмагничивания (ГСП). Оговорюсь сразу, что некоторые модели низкого класса, которые имеют каскад подмагничивания постоянным током и постоянный магнит вместо стирающей головки, лишены описываемого ниже недостатка.
Итак, чтобы максимально снизить проникновение сигнала ГСП в звуковой тракт магнитофона, предусматриваются специальные меры в виде, например, различных фильтров-пробок. И все же некоторая часть побочных продуктов ГСП (особенно если каскады подавления плохо настроены) просачивается в сигнальный тракт. Сюда же с вы
хода стереодскодера проникают гармоники поднесущей или пило г-тона. Поскольку тракт звукоусиления имеет хоть и небольшую, ио определенную нелинейность, гармоники смешиваются друг с другом и разностная составляющая может попасть в область слышимых частот. Эта разностная гармоника записывается на магнитную ленту как характерный свист, к счастью, негромкий, но неприятный. Чтобы макималыю исключить вредное явление, па выходе стереодскодера рекомендуется включить активный ФНЧ. Требования, предъявляемы ' к этому фильтру, довольно жесткие: во-первых, ФНЧ не должен искажать сигнал в тональной области, во-вторых, он должен иметь высокое затухание (большую крутизну спада) в области надтональных частот. Довольно простой и некритичный фильтр может быть построен способом каскадного включения двух ФНЧ второго поряд-М на основе структуры Рауха [52]. Этот фильтр впервые был применен автором в конструкции [15], поскольку показал высокие эксплуатационные характеристики, стабильность с течением времени и не-критичпость к допускам используемых компонентов. Приятно Втметить, что фильтром заинтересовались и другие радиолюбители, ^В-кто даже использовал схему в своих разработках [47]. К сожале-Жию, питание этого фильтра определяется питанием его активного элемента — микросхемы К174УН10А — и должно находиться в пре-Иелах 12—15 В, что не позволяет применить его в низковольтной аппаратуре.
С целью расширить возможности использования ФНЧ автором разработай аналогичный фильтр, схема которого приведена на Ис. 2.74 Основой ФНЧ служи! микросхема К1401УД2Б счетве-ренпый операционный усилитель с питанием 5 В. Частотные характеристики фильтра приведены на рис. 2.74. Буквой «а» обозначена Ж.ЧХ каскадов, построенных на ОУ DA1.1 и DA1.2, буквой «в» — В1Х каскадов РА 1.3 и DAI.4. Суммарная передаточная характеристика показана кривой «б» Спад кривой «а» в частотной области выше 10 кГц компенсируется небольшим подъемом кривой «в» В результате происходит выравнивание частотной характеристики плоть до верхней частоты 12500 Гц, а неравномерность в тональной f Части не превышает 0,5 дБ, что, конечно, незаметно на слух. На час Отах выше 15 кГц обеспечен спад частотной характеристики с тём-ом 24 дБ на октаву (двухкратное отношение частот). В результате
побочные гармоники окажутся хорошо подавленными, а качество звучания стереопередачи не претерпит ухудшения.
Возможный вариант печатной платы показан на рис. 2.76, а, монтаж можно выполнить по рис. 2.76, б. Если радиолюбителю не удастся найти указанный операционный усилитель, можно использовать любой низковольтный ОУ, желательно счетверенный.
Рис. 2.74. Фильтр НЧ, дополнительно подавляющий поднесущую (пилот-тон)
Рис. 2.75. Частотные характеристики фильтра НЧ а — каскады DA1.1 И DA1 2; б — суммарная, в — каскад DA1.3 и DA1 4
а)
б)
Рис. 2.76. a — печатная плата, б — сборочный чертеж
Заключение
Если немного перефразировать слова известной шуточной песни Владимира Высоцкого про научных работников, «мы славно поработали и славно отдохнем». В какой-то мере радиолюбительство явля ется областью научной, так как и здесь выполняется много интерес Ной исследовательской работы, посещают удачи и неудачи, делаются верные и неверные предположения Автор надеется что все ваши замыслы осуществились, а ожидания оправдались Итак, будем считать, что собранный радиоприемник наполняет вашу комнату прекрасной стереофонической музыкой, удивляет качеством звучания
друзей и знакомых. \Что ж, можно откинуться на спинку кресла и не. много расслабиться передохнуть. Ведь во второй части мы будем ос-ваивать современную цифровую технику, а затем вернемся к радиоприемнику, но уже с багажом новых знаний и практического опыта...
И все же минуточку внимания Прочтите приложение: из него вы узнаете о ближайших перспективах радиолюбительского творчества, связанных с техникой радиовещания
Приложение.
Немного об RDS и GPS
В современных моделях автомагнитол и стационарных тюнеров высокого класса имеется возможность приема сигнала системы RDS (Read Data System). Более того, законы рынка диктуют, чтобы все фирменные автомобильные магнитолы оснащались такой системой.
Самым близким аналогом RDS является телетекст. Телевизор, оснащенный декодером телетекста, при включении этого режима выводит па экран разнообразную текстовую информацию, передаваемую вместе с видеосигналом и сигналом звукового сопровождения. Как вы уже догадались, система телетекста передает и принимает информацию в двоичном коде, то есть, по сути, является цифровым каналом. RDS — это тоже побочный цифровой канал передачи данных, но только совмещенный с сигналом УКВ радиостанции Естественно, RDS нс только не мешает основному каналу, но в значительной степени и дополняет его.
Принцип передачи данных по системе RDS был разработай в Германии в начале 90-х годов, в результате чего появился стандарт Cenelec EN 50067. Первоначально система предназначалась для оповещения водителей важной информацией, но теперь ее могут использовать все без исключения RDS быстро распространилась по мирУ-В США около 50% радиостанций диапазона УКВ используют дополнительную передачу данных в этом формате. Активно разворачивается RDS в таких экзотических странах, как Австралия, Южная Корея, Китай. Отдельные страны разработали разновидности системы цифровой передачи данных, немного отличающиеся друг от друга-Например, в США используется разновидность, называемая RBDS
Существует также система DARC, разработанная в Японии Желание японцев иметь собственный формат продиктовано невозможностью передачи в классической системе иероглифов. Впрочем, японский стандарт получился настолько удачным, что в 1997 году DARC при-ня и в качестве общеевропейского стандарта, используемого наравне с EN 50067.
Назначение и структура передаваемой системой RDS информации подробно рассмотрены в [53—55]. Если читатель после прочтения этого приложения раз и навсегда решит заняться конструированием приемника RDS, он может почерпнуть всю необходимую информацию в приводимых источниках. Мы же кратко поговорим об этом чуть позже, а сейчас выясним, каким образом возможно излучать сигнал RDS на передающей стороне. Рассматривать систему стереовещания с полярной модуляцией не имеет смысла, так как в ней не предусмотрена передача потоков цифровых данных. Но если рассматривать систему с пилот-тоном, то окажется, что разместить в спектре стереофонического сигнала дополнительную составляющую Bb так просто. В самом деле, участок от 0 до 15 кГц занят тональной доставляющей, и введение сюда потока цифровых данных сразу же испортит звуковой сигнал. Более того, составляющие звукового сигнала испортят RDS сигнал. Пропускная способность любого сигнала па низких частотах всегда ниже, поэтому здесь скорость передачи информации получится слишком медленной. Чуть выше тональной границы размещать цифровой поток также нельзя — это зона пилот-тона и надтональной части, простирающейся аж до 53 кГц. Стало быть, остается возможность разместить RDS выше надтональной части, по не слишком далеко от верхней частоты 53 кГц, так как «сверху» частоту ограничивает полоса пропускания фильтра ПЧ Разработчики системы так и поступили в качестве поднесущей они выбрали третью гармонику пилот-сигнала (57 кГц). Передача данных осуществляется со скоростью 1187.5 бит/с. Чтобы значительно не увеличивать девиацию передатчика, сигнал RDS имеет небольшую амплитуду, порядка милливольт. Понятно что для извлечения RDS из принятого сигнала необходим собственный декодер, который, к счастью, подключается к выходу частотного детектора. Качествен вы й прием RDS возможен только в зоне уверенного стерео-риема. Так как амплитуда RDS сигнала невелика, он более подвср-
жен помехам. Отдельные части информационных посылок в зоне неуверенного приема могут декодироваться с ошибками. Существует также зона, за пределами которой достоверный прием RDS вообще невозможен, хотя декодированный звуковой стереосигнал обладает вполне приличным качеством.
Задача обработки RDS данных не так проста, как кажется на первый взгляд. Мало принять и декодировать данные, нужно их перевести из набора нулей и единиц в осмысленную информацию, удобную для восприятия, причем перевести быстро. Справиться с такой задачей под силу только микроконтроллеру, который непрерывно обрабатывает данные и выполняет другие необходимые действия по специально разработанной программе. Вот поэтому микроконтроллер сегодня стал неотъемлемой частью бытовой радиоаппаратуры.
Теперь, глубоко не вдаваясь в технические подробности, несколько слов о принципах функционирования RDS Цифровая информация передается в последовательном коде в виде пакетов, состоящих из четырех блоков длиной по 26 бит каждый. В блоках содержится определенная информация, приняв которую блок обработки совершит какие-либо действия, например выведет информационное сообщение па дисплей. Вообще в стандарте EN 50067 заложена масса возможностей, множество видов передаваемой информации, большие перспективы дальнейшего использования В реальных условиях та или иная передаваемая информация может отсутствовать. Это нисколько не нарушит работоспособность системы в целом, просто в зависимости от конкретных условий пропадают или появляются те или иные функциональные возможности. Современную аппаратуру также можно настроить таким образом, чтобы она «откликалась» на определенную информацию, а остальную блокировала.
Радиоприемник «узнает» о том, что ведется передача RDS по принятому коду PI (Program Identification). По коду PS (Program Service) передастся название радиостанции Код EON очень удобен для использования в автомобильной аппаратуре. Приняв этот код, приемник может перестроиться на волну, которая передает определенную информацию, например экспресс-сообщение о дорожных «пробках», и затем, по окончании сообщения, перестроиться назад. Весьма удобно использовать возможности кода EON при объединении нескольких радиостанций в сеть RDS вещания Тогда по сети может трансли
роваться «сквозная» информация о том, что транслируют в данный момент «сетевые» радиостанции. Несколько упрощенным по сравнению с кодом EON является код ТА (Traffic Announcement), когда магнитола, работающая в режиме воспроизведения магнитной или CD-записи, на время передачи специальной информации «под грифом» этого кода, переключается в режим радиоприема. Код PTY (Program Туре) классифицирует тип передаваемой информации. Например, в момент передачи прогноза погоды «выставляется» соответствующий идентификатор, при смене ее на музыку определенного направления сменяется и идентификатор. Всего в стандарте определено 32 типа передаваемых программ. Задав автоматический переход при появлении на том или ином канале, скажем, новостей спорта, можно постоянно быть в курсе всех спортивных событий. Интересно отметить, что в спецификации кода PTY имеется тип Alarm (тревога). Этот тип имеет приоритетное свойство и может использоваться для оповещения о важных событиях, например о стихийном бедствии. Приемник, имеющий возможность избирательной работы по коду PTY, должен время от времени сканировать незаметно для слушателя весь диапазон частот, что имеется в современных моделях. Код СТ (Clock Time) сообщает владельцу радиоприемника информацию о текущем времени с точностью до минуты. По коду RT (Radio Text) может передаваться бегущей строкой текстовая информация.
Разработана также система RDS пейджинга, которая является неплохой альтернативой традиционной пейджерной связи. Дело в том, что для RDS пейджинга нет необходимости строить дополнительные радиопередающие узлы и возводить высокие антенны Индивидуальную цифровую информацию можно чередовать с информацией общего пользования, поступающей от передающей радио-I станции. Радиоприемник в этом случае должен игнорировать блоки с кодами, свидетельствующими об индивидуальном характере информации Сегодня обширные сети RDS пейджинга функционируют в США, Чехии, Венгрии, Франции, Индии. Не за горами появление RDS пейджинга и у нас в стране. Во всяком случае, главный I «застрельщик» этого дела «Радио Рокс» активно продвигает RDS
сервис на наш рынок.
Что можно сказать о состоянии RDS вещания в нашей стране? К сожалению, на сегодняшний момент эта услуга находится в зача-
точном состоянии, но не стоит на месте — развивается. В Москве в январе 1997 года сигнал RDS фиксировался на частотах 103,0 МГц («Радио Рокс»), 100,1 МГЦ («Серебряный дождь») и 101,7 МГц («Престиж-радио»), Позже RDS была введена на частотах 100,5 МГц («Ностальжи») и 105,7 МГц («Русское радио»). Информация, передаваемая по отечественным RDS каналам, понемногу расширяет свой спектр. Бегущая строка уже сообщает о курсе валюты, транслирует необходимые для водителей номера телефонов, передает анонсы культурных мероприятий и некоторые другие сведения. В Санкт-Петербурге RDS сигнал передают пока только три радиостанции, в других городах чаще всего RDS передачи пока нет или, что реже, имеется одна передача.
Многообразие возможностей, заложенных в стандарте RDS, уже начало стремительно реализовываться «в железе». Например, для крупных городов, где проблема насыщенности автомобильным транспортом стоит очень остро, разработана система оптимальным управлением движения па основе системы глобального позиционирования объектов GPS. Эта система может транслировать топографическую каргу в любом масштабе на экран магнитолы и помогать водителю выбраться из «пробки», кратчайшим путем доехать из пункта А в пункт Б Наиболее подходящим для этих целей является стандарт DARC, который использует поднесущую частоту 76 кГц, и соответственно скорость передачи информации повышена до 16 кБит/с. Заманчивые перспективы, не правда ли?
Радиолюбитель, привыкший активно работать над своими конструкциями, может задать законный вопрос: «Могу ли я, пусть даже частично, изготовить декодер RDS и принимать цифровой сигнал с помощью самодельного радиоприемника, описанного в этой книге?» Вне всякого сомнения, можно и даже нужно Однако, встав на путь разработки RDS приемника, радиолюбитель должен быть готов к трудностям двоякого рода. Во-первых, как уже было сказано, «сырой код», поступающий с выхода декодера RDS, нужно обрабатывать программными методами, а для этого необходимо научиться программировать. Эту трудность настойчивый радиолюбитель преодолеет. Есть, однако, и трудность вторая, связанная со сложностью приобретения специализированных RDS декодеров у отечественных поставщиков электронных компонентов Цены RDS микросхем если
не «кусаются», то «рычат» основательно Вообще электронные дилеры выражают слабую осведомленность в этом вопросе: если совершенно бесполезные микросхемы продаются свободно, то действительно необходимые для наших условий купить очень трудно. Например, микросхема TDA1579, специально разработанная для германской системы экстренного оповещения WMF (Verkehrs Wamfunk), едва ли сгодится для применения в отечественных условиях. Даже если в работающем приемнике опа выйдет из строя, никто этого не заметит. А вот неплохие микросхемы SAA6579 и SAA6588, разработанные «Филипс», очень даже подходят для отечественного радиолюбителя Первая из них предназначена для работы только в системе RDS, вторая декодирует также сигналы RBDS Микросхемы очень просты, имеют несколько навесных элементов, выпускаются в корпусе DIP. Увы, автор обнаружил их в прайс-листах всего одного дилера электронных компонентов Будем надеяться, что вскоре ситуация изменится к лучшему, а поэтому остановимся на кратком описании SAA6579 Структурная схема SAA6579 приведена па рис 2.77, назначение выводов — в табл. 2.32.
Рис. 2.77. Структурная схема SAA6579
Таблица 2.32. Назначение выводов SAA6579
1 Индикатор ошибочного приема данных ~~
2 Выход данных RDS -
3 Блокировка источника опорного напряжения “ —•—-
4 Вход сигнала —
5 Питание аналоговой части
— Общий вывод аналоговой части
7 Вход компаратора синхронного детектора
8 Выход фильтра восстановления сигнала
9 Выбор частоты кварцевого резонатора —
10 Активизация тестового сигнала
11 Общий вывод цифровой части
12 Питание цифровой части
13 Вход тактового генератора
14 Вход тактового генератора
15 Тестовый сигнал 75 кГц
16 Синхросигнал RDS
На рис. 2.77 цифрами обозначены:
1 — сглаживающий предварительный фильтр второго порядка;
2 — счетный компаратор с автоматической компенсацией смеще ния по постоянному уровню,
3 — источник опорного напряжения;
4 — полосовой фильтр восьмого порядка с центральной частотой 57 кГц, построенный на основе схемотехники переключаемых конденсаторов,
5 — фильтр восстановления сигнала;
6 — схема синхронного детектора с фиксированным коэффициентом пересчета;
7 — блок выработки сигнала синхронизации;
8 — задающий (тактовый) генератор и делитель частоты;
9 — схема контроля достоверности принятых данных;
10 — бифазный символьный декодер;
[11 — дифференциальный декодер;
12 — схема тестирования и выбора частоты задающего генератора.
Принцип работы микросхемы поясняет рис. 2.78. Поскольку сигнал RDS передается в последовательном коде, необходимо каким-то образом момент смены бита информации. Поэтому тактовый сигнал с вывода 16 (RDCL) стробирует сигнал с вывода 2 (RDDA). Это очень удобный способ приема данных. К примеру, микроконтроллер может разместить данные в своей памяти последовательно, затем обработать их.
Стандартом Cenelec EN 50067 предусмотрена передача бита четности и информации, позволяющей в случае необходимости исправить ошибки в данных. Для этого в составе SAA6579 предусмотрен блок 9, автоматически проверяющий четность принятого пакета, в случае несовпадения выдающий сигнал QUAL на вывод 1. Получив этот сигнал, микроконтроллер может предпринять действия по восстановлению данных или сообщить, что восстановление невозможно. Для задания тактовой частоты используются кварцевые резонаторы с номинальной частотой 4,332 МГц или 8,664 МГц. Выбор перво-I го номинала резонатора осуществляется подключением вывода 9 (MODE) к общему проводу, выбор второго — к шине питания (желательно через резистор сопротивлением 1—2 кОм).
График, отражающий прием среднестатистического количества верных блоков в зависимости от уровня сигнала RDS, приведен на I рис. 2.79. Видно, что уже при амплитуде RDS, равной 0,4 мВ, досто-£ верность принятой информации стопроцентная
Рис. 2.79. График, отражающий зависимость количества блоков с достоверной информацией от амплитуды сигнала RDS
Изучая табл. 2.33, можно сделать интересный вывод, что ширина полосы пропускания полосового фильтра примерно равна удвоенной частоте тактового сигнала. Вывод вполне понятный, так как, чем быстрее мы передаем данные, тем шире полоса спектра, занимаемая их потоком.
Таблица 2.33. Основные технические характеристики SAA6579
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед изм
Напряжение питания цифровой части 3.6 5.0 5.5 В
Напряжение питания аналоговой части 3.6 5.0 5.5 В
Ток потребления — 6 — мА
Номинальный уровень RDS сигнала (при отклонении Af = ±1,2 кГц) 1 — — мВ
Входное сопротивление микросхемы 40 — — кОм
Центральная частота полосового фильтра 56,5 57,0 57,5 кГц
Ширина полосы пропускания (-3 дБ) 2,5 3,0 3,5 кГц
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед изм.
Уровень входного сигнала компаратора (вывод 7) — 1 10 мВ
Высокий уровень на выводах 1. 2. 16 4.4 — — В
Низкий уровень на выводах 1, 2, 16 — — 0,4 В
Номинальная частота сигнала RDCL 1187,5 — кГц
Теперь поговорим о системе глобального позиционирования объектов GPS и возможностях использования ее в радиолюбительских целях. При подготовке этого материала были использованы источники [57, 58].
Вам хоть раз приходилось блуждать по лесу в поисках выхода? Как вы сокрушались тогда, что не захватили с собой простенький магнитный компас... Казалось бы, сегодня мы живем в такое время, когда на земном шаре не осталось ни одной «терра инкогнита», вся поверхность изучена, составлены карты. Однако до спх пор появляются сообщения об исчезновении людей, отправившихся в сибирскую тайгу или в африканские джунгли. Конечно, обстоятельства исчезновения могут быть разными, но случаются и такие, когда человек просто не может найти выхода и, гонимый нарастающей паникой, все дальше и дальше уходит от заветной тропинки или жилища. «Л сибирские просторы не для поездов ..» — точно подметил в песне «Транссибирская магистраль» Александр Розенбаум.
Еще пример: малое прогулочное судно отброшено внезапным штормом далеко от берега Как найти дорогу назад или хотя бы сообщить о своем местопребывании, если на борту нет толковых навигационных приборов, отказала радиостанция? Можно воспользоваться системой спутникового оповещения, подать сигнал SOS. Такая система работает достаточно давно и надежно. Однако как сообщить спасателям точные координаты своего местопребывания, чтобы они не рыскали в поисках, понапрасну не тратили время и горючее? Сегодня не только для этих, но и для многих других целей используется система глобального позиционирования объектов GPS (Global Positioning System), разработанная и эксплуатируемая министерством обороны США Карманный приборчик, очень точно определяющий координаты, может использоваться совместно с радиобуем, со
общая не только сигнал SOS, но еще и местоположение, причем если оно меняется, то также информировать об этом.
Вообще-то система GPS разрабатывалась и внедрялась для военных целей, но в связи с потеплением международной обстановки стала доступной всем. Теперь ее используют картографы, геологи, пожарные, ремонтные службы, штурманы, органы правопорядка и многие другие. В зависимости от класса используемой аппаратуры, сопутствующих методов математической обработки полученных данных точность GPS на сегодня составляет от 1 м до 15 м. Важно отметить, что специфика системы заключается в разной точности определения плановых координат (широты и долготы) и высот над контрольной точкой.
Для однозначного определения координат в любой точке земного шара в околоземное космическое пространство выведены 24 спутника с орбитальным периодом 12 часов, располагающиеся на высоте 20200 км от поверхности Земли. Министерство обороны США постоянно контролирует движение спутников с помощью четырех станций слежения, трех станций связи и центра управления, осуществляющего общую координацию. Центр управления обрабатывает поступающую информацию, при необходимости ее уточняет и передает на станции связи Таким образом, обновление информации, поступающей со спутников, происходит не реже одного раза в сутки.
Каким методом осуществляется определение координат? Дело в том, что положение любого спутника известно точно. Необходимо лишь измерить расстояние по крайней мере до трех спутников, чтобы определить положение точки пересечения лучей в пространстве Расстояние от спутника до приемника измеряется по скорости распространения электромагнитной волны Чтобы определить момент выхода сигнала со спутника, разработан следующий способ Приемник и передатчик генерируют двоичный код по одному и тому же закону. В момент выхода сигнала со спутника в информационном пакете к значению времени выхода добавляется «ярлычок» в виде кода, сформированного в этот момент. Если часы приемника и передатчи ка синхронизированы, то, сравнив время, когда были сгенерированы одинаковые коды, приемник вычислит расстояние, умножив скорость распространения волны на разность временных отсчетов Код, генерируемый системой, является псевдослучайным. Напомним, что
псевдослучайный код является случайным только па ограниченном промежутке, он имеет период повторения.
Внимательный читатель спросит, почему нельзя генерировать точный код по какому-нибудь определенному закону, например, просто увеличивать на единичку каждый раз? Объясняется этот момент просто: в псевдослучайный код легко вводить ошибку, искусственно занижая точность определения координат. Зачем? Поскольку система GPS разрабатывалась военными, то естественно, что большое внимание было уделено секретности информации. Соответственно появились разновидности сигналов. Точный код (P-код) шифруется и может быть использован только министерством обороны США. Грубый код (С/А-код) загрубляется искусственно и в не кодированном виде передается в эфир. В 2000 году шифрование Р-кода было отключено в связи с отсутствием необходимости, но следует иметь в виду, что оно может быть возобновлено в любой момент. Интересно также отметить, что ошибку С/А-кода можно полностью исключить, используя для измерений так называемый дифференциальный метод. Один приемник необходимо стационарно расположить в точке с четко известными координатами, а передвижной приемник может производить измерения с погрешностью. Данные измерений фиксируются обоими приемниками, затем производится их анализ и исключение ошибок статистическими методами. Недостаток дифференциального метода: наличие по крайней мере двух приемников и неоперативность. Впрочем, речь идет о борьбе за точность в границах 1 м. Для большинства потребителей точность не хуже 15 м более чем достаточна.
Все спутники GPS передают сигналы на двух частотах: f] = 1575,42 МГц и f2 = 1227,60 МГц. На частоте f, передаются одновременно P-код и С/А-код, на частоте f2—только P-код. Почему Р-код передается на двух частотах? Дело в том, что скорость распространения электромагнитной волны в ионосфере Земли непостоянная из-за эффекта преломления Конечно, отличие от скорости распространения в вакууме небольшое, и, казалось бы, эту поправку можно учесть непосредственно в приемнике. Однако ионосфера непостоянна, она меняет свои свойства даже в течение суток. Двухчастотный метод позволяет скорректировать данные, повысить точность.
Еще один немаловажный методический момент: для максимального снижения погрешности измерения вес спутники имеют на своем борту синхронные атомные часы с невероятно высокой стабильностью. К сожалению, такие часы слишком дороги, чтобы использовать их в приемниках. Для повышения точности измерений необходим прием данных с четвертого спутника.
Данные, предназначенные для обработки, поступают со спутника кодированными по протоколу NMEA-0183. Это текстовый протокол, вес символы в котором кодируются в ASCII При наличии соответствующего устройства обработки (мощного компьютера или микроконтроллера) сигнал GPS можно представить в виде, удобном для восприятия потребителем. Разработаны недорогие портативные GPS приемники, позволяющие узнать только координаты, и более мощные, с масштабируемой встроенной картой, индикацией положения на карте, направления и скорости движения (рис. 2.80). В любом слу-чае эксплуатация GPS приемников связана с выполнением опреде ленного рода правил. Поскольку принимаемый сигнал лежит в гига герцовой области частот, любое препятствие в виде дома или дерева может создать эффект тени. Нежслатстьпо также наличие источников электромагнитных помех.
Практические конструкции 249
В нашей стране до недавнего времени также велись работы по созданию системы глобальной навигации ГЛОНАСС. Согласно источнику [58], первые спутники ГЛОНАСС были выведены на орбиту еще в 1982 году с перспективой довести их число до 24. Увы, больше 20 спутников вывести нс удалось — помешало ухудшение экономической ситуации в стране. Сегодня в рабочем состоянии осталось ^только 9 спутников.
Радиолюбителям, прочитавшим это приложение, может показаться, что изготовить самодельный GPS приемник (пусть даже самый примитивный) реально только на производстве. Отчасти это предположение верно, но намечаются явные сдвиги, которые, хочется верить, к моменту выхода этой книги из печати позволят изготовить GPS аппаратуру в домашних условиях Уже сегодня фирма STMicroelectronics (SGS-Thomson) производит комплект микросхем (STB5600 и ST20GP6), позволяющих построить очень простой GPS приемник. Первая микросхема комплекта принадлежит к аналоговой радиочастотной части и является, по сути, супергетеродинным приемником, преобразующим частоту 1575,42 МГц в частоту первой ПЧ — 20 МГц Второе преобразование частоты до значения 4 МГц осуществляется здесь же, но фильтруется цифровым методом во второй микросхеме комплекта. Кроме того, эта микросхема преобразует принятую информацию в формат NMEA-0183. Вот краткий набор информации, имеющейся на выходе ST20GP6:
— время UTS (всемирное, без учета поясного);
I —широта;
— знак широты; *•
, — долгота;
— знак долготы;
— число спутников, видимых в данной точке;
— некоторая другая служебная информация.
На сайте фирмы-производителя (http://www st com) можно под-I робнее познакомиться с документацией на этот чипсет.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
Осваиваем микроконтроллер
Предисловие
Вне всякого сомнения, у вас, уважаемый читатель, есть домашний персональный компьютер, пусть даже устаревший 486-й, который постоянно раздражает медленным темпом загрузки программ. Компьютер просто необходим для освоения того, о чем будет рассказано в этой части книги.
Реалии сегодняшней жизни превратили персональный компьютер из дорогостоящего и диковинного технического новшества в повседневную и необходимую всем реальность. Теперь позволить себе иметь домашний компьютер могут очень многие, выбирая его состав и качество по своим финансовым возможностям. Понятно также, что радиолюбитель, пользующийся «персоналкой», наверняка слышал о такой разновидности цифровых программируемых устройств, как микроконтроллеры (МК). Более того, пытливый радиолюбительский ум никогда не останется в стороне от технических новинок, тем более от тех, информация о которых поступает отовсюду Это и понятно, ведь сегодня трудно найти область, где бы не использовались микроконтроллеры! МК используются в телефонии, автомобильной технике, офисной и бытовой аппаратуре, различных охранных системах. В 2000 году было выпущено почти 5 миллиардов корпусов, их доля среди других электронных компонентов составила почти 10%.
О микроконтроллерах в радиолюбительской среде сегодня говорят больше всего. Обсуждаются их возможности, плохие и хорошие стороны, секреты программирования, средства разработки программного обеспечения, использование в технике, пути устранения тех или иных ошибок В Интернете, этом всемирном информационном сгустке, наиболее посещаемые радиолюбительские конференции связаны с микроконтроллерами. Пожалуй, самая активная конференция расположена на сайте Зеленоградского научно-производ-
ктвенного предприятия «Телесистемы» (http://www.telesys.ru). Конференция ежедневно пополняется десятками вопросов, мнений Откликов, поступающих от ее участников. Порой в ответах можно найти ссылку на интересный ресурс, узнать о новинках, о хитростях использования МК. Но, что самое главное, возможно и самому участвовать в обсуждении, задавать вопросы, делиться опытом. На конференции нет пустословия и ерничанья, которое, к сожалению, присутствует во многих других Интернет-конференциях Возможно, это потому, что здесь обмениваются мнениями по-настоящему увлеченные люди.
Профессионалу в области программирования МК вообще полезно иметь общение с коллегами. В связи с этим вспоминается неболь-шая история. Когда один из участников конференции, дотоле давно не появлявшийся на ней, пожаловался, что начальство запрещает ему выходить в Интернет в рабочее время, другой участник резонно квалифицировал распоряжения начальства как неумные. Ведь стремление обогащать свои знания, повышать профессиональный уровень достойны не порицания, а поощрения, даже в качестве прибавки к зарплате.
Где еще можно получить информацию относительно использования МК? Зарубежные фирмы-производители выпускают подробную сопроводительную документацию, которую можно «скачать» в Ин-"тернете. Одно время можно было даже заказать бесплатный компакт-диск, заполнив на сайте производителя форму. Но эта весть быстро расползлась по сети и диски стали заказывать все, кому надо и кому не надо Поэтому такой возможности сегодня больше не суще-ствует. Но это не значит, что документация на CD вообще исчезла из обихода разработчиков — сегодня эти диски можно приоорести у по-ставщиков электронных компонентов. К слову, автор успел бесплатно получить несколько CD от ведущих производителен и остался до-
I волен качеством предоставленной информации
Можно также пользоваться книгами, которые в достаточном количестве изданы в последнее время и продолжают активно выходить I из печати. Зайдите в ближайший книжный магазин, торгующий » технической литературой, и вы убедитесь, что половина представ-I ленных книг посвящена как раз микроконтроллерам, микропроцессо-I рам и компьютерам. Информации более чем достаточно, но это оби-
лие действует на человека, решившего познакомиться с новой для пего областью точно так же, как полное отсутствие информации —. пугающе Впрочем, профессионалы чувствуют себя в этом многообразии достаточно уверенно, без труда выбирают подходящий для своих разработок МК, быстро осваивают средства программирования. Как поселить уверенность в уме радиолюбителя, который пе претендует на серьезную оптимизацию параметров разрабатываемого устройства, не высчитывает экономический эффект от внедрения того или иного МК, а просто хочет создавать конструкции для собственных нужд на недорогой базе? Выбрать самый дешевый микроконтроллер, добыть «взломанные» средства программирования? Встав на такой путь, можно очень быстро прийти к разочарованию. Скажем, один весьма дешевый микроконтроллер может иметь дорогостоящую среду разработки, второй — непонятное описание, третий — сложные средства программирования. Некоторые фирмы выпускают микроконтроллеры только с однократно программируемой памятью. Радиолюбитель, привыкший экспериментировать с конструкцией в процессе ее создания, едва ли сможет иметь в запасе сот-пю-другую резервных МК для проверки идей. Дороговато!
Хорошо определиться в самом начале, па что ориентироваться радиолюбителю с его скромными финансовыми возможностями, и, приняв принципиальное решение, двигаться в выбранном направлении Такой выбор можно сделать, хорошо зная возможности выпускаемых МК, но мы-го стремимся как раз к тому, чтобы узнать эти возможности. Получается замкнутый круг. Действительно, осваивая МК методом проб и ошибок, автору не раз хотелось найти такую книжку, в которой все было бы написано, обо всем предупреждено. Увы, нет такой книги на сегодняшний день. Не появится она и в будущем, потому что невозможно объять необъятное! Рынок микроконтроллеров очень динамичен, он меняется каждый день. Исчезают малопопулярпые и устаревшие типы, появляются новые, выходят очередные версии средств разработки, исправляются ошибки в старых.
Не спешите огорчаться1 В мире микроконтроллеров только первые шаг и сложны, а значит, требуется поддержка. Дальше мир МК будет приоткрываться сам Следует иметь в виду, что законы, заложенные в основание технических наук, очень просты. Скажем, элек-
хротехника и электроника «держится» на законе Ома Вычислительная техника стоит на трех китах: архитектуре, системе команд и обработке возникающих ситуации Научившись выявлять особенности архитектуры, предписывать МК выполнять определенные команды, создавать свои и обрабатывать возникающие ситуации, можно будет сказать, что освоение техники МК прошло успешно.
Как уже было сказано, не существует книги, в которой представлена всеобъемлющая информация о микроконтроллерах Однако нет книги и для начинающих, для тех, кто хочет сделать первые шаги. Имеющиеся в продаже издания рассчитаны на людей, пользующихся возможностями промышленных предприятий, для главных конструкторов В таком случае обычно не возникает проблем с приобретением необходимого для пробных экспериментов количества микроконтроллеров, документации, программного обеспечения, аппаратных средств. Радиолюбитель находится в совершенно других условиях. Он может позволить себе иметь один (максимум два) запасных кристалла с возможностями многократного программирования, очень недорогое или вовсе бесплатное программное обеспечение для разработки и отладки прикладных программ простейший программатор, который можно изготовить самому, и конечно, хорошее описание микроконтроллера на русском языке. Некоторые радиолюбители поступают следующим образом, они «прошивают» разработанную программу в МК не сами, а находят фирму, где можно выполнить эту работу за небольшую плату. Такой подход годится только для опытных, уже набивших шишек, а вот чтобы быстро учиться, получать опыт, нужно иметь на своем лабораторном столе полный набор средств разработки, отладки и «прошивки».
Итак, первый критерий по которому мы сузили круг микроконтроллеров, понятен. Попробуем сузить его еще больше, ориентируясь на критерий «возможности—цена». В результате у нас останется всего три фирмы, производящие МК и предоставляющие разработчику бесплатные и удобные сопутствующие средства Перечислим эти фирмы Atmel, Microchip, ОАО «Ангстрем».
Интересный опрос был проведен среди посетителей сайта «ТелеСистемы». Участники могли ответить на вопрос «Какому микроконтроллеру вы отдаете наибольшее предпочтение?» Голоса распределились следующим образом (рис 3.1): наиболее популярными стали
МК архитектуры AVR (разработанной Atmel) и классической архитектуры MCS-51 (разработка Intel), правда выпускающейся многими фирмами. Популярна также структура PIC, разработанная Microchip. Малопопулярны микроконтроллеры фирмы Zilog типа Z8 — исключительно из-за однократной структуры программирования. Среди представленных типов нет отечественного микроконтроллера КР1878ВЕ1, разработанного ОАО «Ангстрем». Причина тому, скорее всего, кроется в том, что этот МК пока малоизвестен профессиональным разработчикам. Между тем именно на основе отечественного МК лучше всего создавать радиолюбительские конструкции и набираться практического опыта. Почему? Дело даже не в том, что автор призывает поддержать отечественного производителя (хотя ОАО «Ангстрем» достойно такой поддержки). По своим возможностям КР1878ВЕ1 не уступает AVR и PIC, а зачастую и превосходит их, а по цене имеется явное преимущество. Приобрести микроконтроллер сегодня также возможно. Конечно, с точки зрения возможностей среды разработки и отладки, сопроводительных примеров программирования микроконтроллер пока поддержан слабо. Но не будем слишком строги, а постараемся сами внести вклад в дело популяризации отличных образцов отечественной элементной базы.
Ваш любимый микроконтроллер
АСЕ____________________ I 3 (0%)______________________
АУЛ_____________________________НН— 309 (29%)
MCS-51__________________________И— 220 (21%)
PIC_____________________________— 317 (30%)
Z8________________________ И 35 (3%)__________________
Z80_____________________________М 21 (2%)_____________
Другой__________________________М 60 (5%)_____________
Лучший микроконтроллер — DSP И 33(3%)
Ненавижу микроконтроллеры И 41 (3%)
Рис. 3.1. Статистика опроса на сайте http://www.telesys.ru
Хочется сразу предупредить читателя, что автор не преследовал задачу написать полный справочник по микроконтроллеру. Это ско
рее путеводитель, нескучный учебник, шпаргалка по использованию КР1878ВЕ1. Полную документацию, а также необходимое программное обеспечение можно получить с сайта производителя (http://www.angstrem.ru). Надеюсь также, что, ознакомившись с этой частью книги, читатель не попадет в группу тех 3% опрошенных, которые возненавидели микроконтроллеры лютой ненавистью.
Итак, вначале кратко остановимся на основных типах МК, выпускаемых Microchip и Atmel, чтобы легче было оценивать возможности КР1878ВЕ1.
3.1. Мини-обзор микроконтроллеров
Микропроцессор, микроконтроллер — какая разница? Вообще-то принципиальная! Микропроцессор — это, условно говоря, голова компьютера, его центральная часть, управляющая всем остальным. Но голова не может существовать отдельно от тела, как генералов не бывает без армии Так и микропроцессор Для его работы, его обслуживания необходимо иметь внешнюю память, различные исполнительные и информационные (периферийные) устройства, устройства ввода/вывода информации, устройства отображения информации, временные таймеры и т. д. Необходимо мощное программное обеспечение, «оживляющее» компьютер. Необходима операционная система, которая выполняет рутинную работу по размещению программ в памяти и многие другие операции Компьютер, созданный на базе того или иного микропроцессора, — вещь универсальная, настраиваемая на решение самых разнообразных задач. Сегодня он вычисля-ег интеграл, а завтра готовит бухгалтерский баланс
Однокристальный микроконтроллер имеет все атрибуты компьютера, но его можно назвать сильно упрощенным вариантом. Для нормальной работы МК нужны и микропроцессор, и память, и таймеры, и периферийные устройства, и программное обеспечение. Вот только все аппаратные средства встраиваются в один кристалл, что сильно сокращает возможности по универсализации МК, расширению его архитектуры. Микропроцессор превращается в ядро (core), многие периферийные устройства, а также память встраиваются внутрь, становясь доступными только программно. Наружу выводят
ся только линии устройств ввода/вывода, называемые портами Микроконтроллеру не нужна операционная система, поскольку он жестко программируется для решения какой-либо конкретной задачи. Программа, загружаемая в память МК, загружается туда раз и навсегда. С момента разработки первого МК и до настоящего времени наиболее удобный язык программирования для микроконтроллеров — это ассемблер. Ассемблер представляет собой нечто среднее между языком высокого уровня и машинным кодом (набором нулей и единиц). Использовать ассемблер для программирования универсальных компьютеров сегодня приходится все реже и реже, а вот в технике микроконтроллеров он занимает ведущее место. Главное преимущество ассемблера — возможность точно спрогнозировать время, за которое будет выполнена та или иная команда, что чрезвычайно важно при обработке или задании процессов реального времени. Скажем, при измерении частоты сигнала, при задании промежутков времени (режим таймера). Для некоторых микроконтроллеров разработаны инструментальные средства, позволяющие создавать программы на языках высокого уровня, например Си иди Паскаль.
Грань между микроконтроллерами и микропроцессорными системами, однако, нельзя провести четко и однозначно. Многие МК имеют выводы для подключения дополнительной памяти, дополнительных периферийных устройств, а в микропроцессоры все чаще встраивают быструю оперативную память (кэш-память), которая ускоряет его работу. И все же одип четкий разделительный признак имеется. Если микроконтроллер представляет собой функционально законченное устройство, готовое к применению, то микропроцессор обязательно нуждается в дополнительных внешних устройствах, обеспечивающих его работу.
Основу этого мини-обзора составили наиболее популярные у радиолюбителей, да и не только у них, типы микроконтроллеров. Скорее всего, после прочтения этого раздела у неподготовленного читателя возникнет масса вопросов, которые разрешатся только в процессе приобретения опыта. Привыкайте! Начиная знакомиться с миром МК, автор тоже читал всевозможные описания как «китайскую грамоту», поначалу мало что понимая из прочитанного, но все равно дочитывая до конца. Когда период адаптации прошел, из большого ко
ма разрозненной информации начала выстраиваться очень логичная картина. Итак, приступаем к знакомству с МК.
До настоящего времени самыми популярными МК являлись кристаллы разработки фирмы Intel и названные серией MCS-51. Этот тип МК получился настолько удачным, что быстро завоевал рынок программируемых компонентов, оттеснив другие типы микроконтроллеров. Появилась серия MCS-51 в начале 80-х годов, но до сих пор продолжается ее производство, расширяется номенклатура, повышается быстродействие и надежность, снижается энергопотребление. Самые первые MCS-51 выпускались па основе nMOS технологии, потребляли значительную мощность, имели небольшие объемы памяти и однократпопрограммируемый ее характер. Но в начале 80-х и такие возможности удивляли. Стремительное развитие микроэлектроники позволило расширять внутреннюю память, расширять возможности периферийных устройств без увеличения корпуса МК. Но самое, пожалуй, главное заключается в изобретении многократнопрограммируемой памяти. Первоначально очищение памяти осуществлялось с помощью ультрафиолетовой лампы в течение 10—15 минут, позже были разработаны электрически стираемые типы с временем очистки в доли секунды. Все типы многократно программируемой памяти встречаются в технике МК по сей день, но по вполне понятным причинам популярна электрически стираемая.
Следующий шаг на пути к расширению возможности МК — встраивание в кристалл аналоговой и аналого-цифровой техники. В составе микроконтроллеров появляются операционные усилители, компараторы, АЦП, схемы широтно-импульсной модуляции, сторожевые таймеры, стандартизованные последовательные порты. В недалеком будущем ожидается появление массовых МК со встроенной DSP частью, позволяющей производить цифровую обработку аналоговых сигналов. В настоящее время номенклатура MCS-51 от фирмы Intel насчитывает около 50 наименований [59].
Наиболее удачные разработки в области электронных компонентов редко не имеют аналогов, появляющихся вслед за прототипами. Так случилось и с MCS-51 Программно совместимые МК выпускаются фирмами «Филипс», Atmel (серия АТ89) и некоторыми другими. Аналоги, как правило, могут незначительно отличаться от прототипов в сторону расширения возможностей, поэтому, прежде чем
разрабатывать программу, желательно ознакомиться с особенностями конкретного МК и учитывать их. Интересно отметить, что отечественная промышленность тоже приложила руку к MCS-51, выпустив МК КР1816ВЕ51.
Многообразие фирм, выпускающих аналогичные МК, заставляет читателя задуматься, какой отдать предпочтение. Технические параметры приблизительно одинаковы, показатели надежности — тоже. Незначительные отличия, на которые обратит внимание разве что профессиональный разработчик, обычно мало волнуют радиолюбителя. Остаются только соображения чисто финансового характера. И вот здесь отличия существенны Например, цена МК, производимых Intel, в 2, а то и в 3 раза выше цены МК, производимых Atmel. По крайней мере, отечественные поставщики примерно так оценивают изделия в своих прайс-листах. Впрочем, логика ценообразования вполне понятна. Intel — солидная, всем известная фирма со стажем и соответствующей репутацией. Ей не нужно беспокоиться о сбыте своей продукции, поскольку действует принцип «фирма гарантирует...». Atmel — фирма молодая, известная не столь широко, она может конкурировать на рынке МК только за счет снижения цены. Такие вот азы рыночной экономики!
Таблица 3.1 Некоторь е параметры микроконтроллеров серии АТ89
Тип МК UnM S В ПЗУ, кбайт ОЗУ, байт Ъакт» МГц 1тах» МА
АТ89С1051 2,7—6 1 64 12, 24 15
АТ89С2051 2,7—6 2 128 12, 24 15
АТ89С51 5 4 128 12, 16, 20. 24 20
AT89LV51 2,7—6 4 128 12 20
АТ89С52 5 8 256 12, 16, 20, 24 25
AT89LV52 2,7—6 8 256 12 25
AT89S8252 2,7—6 8 256 12 25
Память МК (ПЗУ) выполнена по технологии Flash и допускает до 1000 циклов перепрограммирования Содержимое ПЗУ можно защитить от считывания, тогда при попытке считать программу память очищается автоматически. Все МК имеют режим пониженного потребления мощности, когда выполнение операций частично приоста
новлено. В режиме sleep ток потребления снижается до 0,15 от номинального значения. Существует еще один режим работы МК — сто-повый. В нем потребление снижено до 100 мкА, но микроконтроллер самостоятельно из этого режима выйти не может.
В результате недавних разработок фирмы Intel появились серии MCS-151, MCS-251, MCS-96, MCS-196, MCS-296. Насколько известно автору, новые разработки пока не имеют широко распространенных аналогов. Эти серии в радиолюбительской среде непопулярны, поскольку серия MCS-51 справляется с радиолюбительскими задачами очень даже неплохо. А какие новинки заинтересовали друзей паяльника?
Разрабатывая МК, фирма Atmel предложила интересную серию AVR, которая мгновенно нашла поддержку у радиолюбителей. В МК серии AVR используются принципы так называемой RISC архитектуры, когда память программ и память данных, с которыми программа оперирует, не только разделены физически, но еще имеют и разные каналы связи с ядром (разные шины). По-другому RISC архитектура называется гарвардской, в отличие от классической неймановской, когда и программа, и данные хранятся в одной и той же памяти, но в разных ее ячейках (областях). Кроме этого, имеется еще одна интересная особенность, называемая конвейеризацией. Конвейеризация позволяет одновременно и выполнять команду, и готовить к выполнению следующую. Гарвардская архитектура, а также конвейеризация и некоторые другие специальные меры позволяют выполнять инструкции очень быстро — за один машинный цикл Существует очень похожее по названию понятие Машинного такта, с которым можно спутать машинный цикл. Так вот, машинный такт — это, по сути, частота задающего генератора, Которая может быть предварительно поделена простейшим двоичным счетчиком Например, в контроллерах MCS-51 машинный такт Равен 12 периодам внешнего задающего генератора. Машинный Цикл может состоять из нескольких машинных тактов, однако его Длительность постоянна Команда, запущенная на выполнение, может в общем случае занять несколько машинных циклов. В MCS-51 Команды выполняются за 1, 2 и 4 цикла. Представьте теперь, что вы работаете в режиме реального времени и задаете с помощью МК Промежутки времени. В случае применения MCS-51 придется счи
тать время выполнения каждой команды, а вот в случае использования AVR задача упрощается. Время выполнения любой команд одинаково!
К сожалению, RISC архитектуре свойственны и недостатки, одш из которых заключается в том, что весьма трудно расширять память сохраняя конвейеризацию. Более того, все МК этого класса имеют ограниченный набор команд, пригодный для работы только с несложными задачами. Для решения задач сложных, многоплановых приходится создавать довольно длинные процедуры.
Микроконтроллеры серии AVR имеют в своем составе компараторы, АЦП, устройства ШИМ, последовательные порты ввода? выво да. Конечно, разные типономиналы включают в себя разные устрой ства, но их набор на сегодняшний момент является нормой.
Таблица 3 2. Некоторые параметры микроконтроллеров AVR
Тип МК ПЗУ, кбайт ОЗУ, байт fiaKii МГц и,, В
AT90S1200 1 64 12 2,7—6
AT90S2313 2 128 10 4—6
AT90S2323 2 128 10 2,7—6
AT90S2343 2 128 10 4—6
AT90S4414 4 256 8 2,7—6
AT90S4434 4 256 8 3,3—6
AT90S8535 8 512 8 2,7—6
AT90S8515 8 256 8 4—6
АТтедаЮЗ 128 4 к 6 4—5,5
АТтедабОЗ 128 2 к - 1 - 6 4—5,4
Следует обратить внимание па то, что в составе МК может быт как ОЗУ, данные в котором сохраняются только при наличии питания, и ЭСППЗУ (электрически стираемое постоянно программируемое запоминающее устройство), в котором можно хранить данные и после выключения питания. Но не путайте ЭСППЗУ программ и ЭСППЗУ данных!
ЭСППЗУ может выполняться как по технологии flash, допуска мой 1000 циклов программирования, так и по EEPROM с возможно
стью безошибочного программирования 100 000 раз. Предпочтение для памя ги программ отдается flash, память данных чаще выполняют на EEPROM. Спросите: нужна ли вообще эта 1 ash, допустимое число программирования которой на два порядка меньше, чем EEPROM? Дело в том, что время программирования flash на несколько порядков меньше времени программирования EEPROM, что весьма важно при серийном производстве аппаратуры с использованием МК
Предвижу еще один логичный вопрос читателя: «1000 циклов — это много или мало?» Наверняка читатель скажет, что мало. На самом деле число 1000 — не магическая цифра, не означающая что 1000 раз программу можно записать в память, а на 1001 раз микроконтроллер протрубит отбой. Фирма, выпускающая МК, гарантирует, что в течение этих циклов программа безошибочно запишется в память с очень высокой долей вероятности, важной в массовом производстве техники. При превышении заданного количества циклов фирма уже не может что-либо гарантировать, вероятность записи ошибочной информации, например 0 вместо 1, немного повышается. Вообще-то сбой может произойти и при «прошивке» абсолютно нового МК, но вероятность его появления в таком случае исчезающе мала Реально только после 10 000 циклов вы заметите неладное. Так что на этот счет радиолюбителю беспокоиться не следует. Не экономьте на циклах, лучше лишний раз переработайте программу, но добейтесь таких результатов, которые вас полностью устроят.
Популярна у профессионалов и любителей продукция фирмы Microchip — микроконтроллеры серии PIC (Пи-Ай-Си). По разнообразию выпускаемых МК фирма Microchip находится на 1-м месте в мире, хотя по объемам производства занимает только 12-е место, отставая от Intel, «Сименс», «Филипс». Микроконтроллеры серии PIC выпускаются со всеми возможными вариантами внутренней памяти (однократно программируемая ОТР, с ультрафиолетовым стиранием EPROM и электрически репрограммируемая EEPROM). Основная Доля микросхем — это все же недорогие ОТР. Но чтобы поддержать разработчика, многие наименования продублированы их репрограм-мируемыми аналогами Конечно, в составе этих МК тоже можно встретить и таймеры, и АЦП, и другую периферию. Интересной особенностью PIC является возможность программировать их после ус
тановки в изделие Правда, поддерживают такой режим не все МК этой серии.
Поддержка разработчика осуществляется бесплатной интегрированной средой отладки и разработки Mp-Lab, которую можно получить с серверов http://www.microchip.com и http://www.microchip.ru. Разработаны чрезвычайно простые программаторы и масса готовых прикладных программ Их также можно получить с указанных серверов. К сожалению, продукция Microchip устроит далеко не всех радиолюбителей исключительно по причине высокой стоимости «многоразовых» кристаллов Но работать с PIC очень просто
Таблица 3.3 Некоторые параметры микроконтроллеров PIC
Тип МК ПЗУ, слов ОЗУ байт ^такт, МГЦ Число портов
16С61 1024 36 20 13
16С66 8192 368 20 22
16С67 8192 368 20 33
16С710 512 36 20 13
16С71 1024 36 20 13
16С77 8192 368 20 33
16F84 1024 68 10 13
17С43 4096 454 33 33
17С44 8192 454 33 33
Такова номенклатура импортных МК, которая в первую очередь может заинтересовать радиолюбителя. На этом завершим краткий экскурс и перейдем к детальному изучению отечественного микроконтроллера КР1878ВЕ1, не уступающего по своим параметрам перечисленным МК, а в ряде случаев даже превосходящего.
3.2. КР1878ВЕ1 — доступный отечественный МК
На примере этого микроконтроллера можно не только легко научиться правильному обращению с микропроцессорной техникой вообще, но и создавать отличные радиолюбительские конструкции Be-
диким подспорьем в данном случае является цена данного МК, а также его доступность. Но это еще не все. Поскольку микроконтроллер выпускается отечественной фирмой «Ангстрем», он имеет сопроводительную документацию на русском языке, бесплатный набор отладочных средств. В целом эта разработка, кстати первая отечественная в подобном классе МК, получилась удачной. Как говорится, первый блин не комом!
Прежде чем приступить к рассказу об МК хочется еще раз напомнить читателю, что автор не счел необходимым слово в слово повторять то, что изложено в техническом описании. Разработчику программ необходимо иметь под рукой оригинальную документацию, которую можно получить в Интернете с сервера производителя (http://www.angstrem.ru). Документация хранится в популярном формате PDF, она может быть распечатана и сброшюрована. При наличии некоторого опыта, достаточного количества времени и людей, готовых отвечать на вопросы, разобраться в работе МК можно по техническому описанию. Но вот если нет ни опыта, ни людей, ни времени, а есть только желание, то помощь окажет эта книга. Автор постарается акцентировать внимание читателя на наиболее существенных моментах, помочь избежать углубления в частности и изготовить отладочное оборудование. Основой для всего этого служит личный опыт. Итак, приступим
Структура и принцип работы
О микроконтроллерах сегодня говорится столько хороших и плохих слов, что у читателя уже мог возникнуть образ технического изделия, к которому и не знаешь, как подступиться! На самом деле МК — это обычная микросхема, размещенная в стандартном DIP или SMD корпусе, так что внешне она ничем не отличается, скажем, от ITTL микросхемы Хитрости скрываются во внутренней структуре.
Микроконтроллер КР1878ВЕ1 выпускается в корпусе DIP-18, I планируется его выпуск в SMD корпусе, но для радиолюбительских проектов предпочтительнее все же DIP.
На рис. 3.2 показана укрупненная структурная схема МК, в табл. 3.4 приведено назначение выводов.
РА1 РАО OSC1 OSC2 Vcc
РВ7 РВ6 РВ5 РВ4
РА2 РАЗ РА4/ RST GND
TCLC
РВО РВ1 РВ2 РВЗ
Рис. 3.2. Структурная схема KPI878BF.I
Таблица 3 4. Назначение выводов КР1878ВЕ1
1. 2, 17. 18 РАО—РАЗ Линии веода/вывода порта А
6—13 РВО—РВ7 Линии ввода/вывода порта В
3 PA4/TCLC Внешняя частота таймера/линия РА4 порта А
15, 16 OSC1, OSC2 Подключение генератора тактовой частоты
4 RST Вывод сброса/протраммирования
114 U«! Питание
I5 GND Общий вывод
На структурной схеме цифрами обозначены:
1 — порт ввода/вывода Л;
2 — порт ввода/вывода В;
3 — задающий генератор;
4 — программируемый интервальный таймер;
5 — WDT (сторожевой таймер);
6 — схема питания;
7 — схема программирования;
8 — ядро (центральный микропроцессор);
9 — стек команд;
| 10 — стек данных;
11 — ОЗУ данных;
12 — ПЗУ команд;
13 — ЭСГ1ПЗУ данных;
14 — схема сброса.
Что такое программа, размешенная в памяти МК? Это последовательность инструкций, которые надлежит выполнить микроконтроллеру. Каждая инструкция располагается в своей сгрого отведенной для этого ячейке (специалисты говорят: располагается по жестко заданному адресу) Микропроцессор последовательно извлекает содержимое ячеек и в зависимости от считанной информации предпринимает те или иные действия. Отсюда следует первое правило микропроцессорной техники: МК не может одновременно выполнять несколько команд. Он выполняет их последовательно, одна задругой.
Внимательный читатель может возразить: «Но существует ведь метод конвейеризации потока команд!» Все правильно, существует и успешно используется. Однако рассмотрим подробнее процесс выполнения микропроцессором команд. Микропроцессор должен, во-первых, извлечь команду из памяти, во-вторых, декодировать ее, то есть собственно разобраться, что нужно выполнить, и, в-третьих, исполнить предписанное. Исполнительная часть может также состоять из нескольких частей, когда микропроцессор извлекает данные из памяти, преобразует их и записывает в память результат. Вот этот результат и интересует программиста, его волнует только момент, когда он может его получить и использовать, а не подготовительные операции На конвейере действительно может одновременно находиться несколько команд в разной степени готовности, по в один и тот же момент времени возможно получение только одного результата.
Второе правило работы с МК можно предуведомить программистской байкой, коих существует несчетное число. Звучит байка примерно так.
Вопрос: Когда программист идет на пляж, сколько бутылок он берет с собой?
Ответ: Две. Олпа с водой — па тот случай, если пить захочется. Вторая — пустая, если пить не захочется.
Микропроцессор не умеет думать, он, подобно рабу, выполняет те действия, которые предписал программист. И если программист ошибся, МК не задумываясь выполнит ошибочное действие. Поэтому хорошая программа прорабатывается до мелочей, до разбора практически невероятных ситуаций. Итак, второе правило работы с МК — всегда задавать себе вопрос: «А что, если...?».
Есть еще третье правило, которое следует из специфики запуска программ на выполнение. Помните, наши предки призывали всегда «танцевать от печки»? Микроконтроллер, подобно танцору, не может начать правильную отработку программы с произвольного места. Ему необходимо пройти инициализацию, настроить периферийное оборудование, подготовить данные. В МК КР1878ВЕ1 работа программы всегда начинается с нулевого адреса памяти команд. Сигналом к старту служит выработка специальной схемой сигнала RST (в момент включения питания, внешнего сигнала или программной директивы). Но правильный запуск еще не гарантирует правильность последующих операций. Программист должен подготовить все необходимые данные к моменту начала выполнения любой команды, а не запрягать телегу впереди лошади. В противном случае получится однозначно неверный результат. Микропроцессор не разбирается в правильности предоставленных данных, он считывает содержимое ячеек, правильное ли оно на момент считывания или нет.
Информация, с которой оперирует МК, размещается в специальной памяти данных (поз. И и 13 на рис. 3.2). Данные в памяти упорядочены и имеют свои уникальные адреса. Однако не путайте их с адресами команд и уж тем более с адресами ячеек ЭСППЗУ данных.
Очень важный момент — общение с внешним миром. Как видно из структурной схемы, ни само ядро, ни память не имеют внешних выводов, позволяющих непосредственно менять данные или управлять работой ядра. Связь с внешним миром у КР1878ВЕ1 осуществляется только с помощью портов ввода/вывода А и В Порт А 5-разрядный, порт В — 8-разрядный.
В прикладных задачах очень часто бывает необходимо отмерить интервал времени. Конечно, можно выполнить эту задачу исключи тельно с помощью программных средств, но тогда на время, равное интервальному, микроконтроллер будет полностью занят и не сможет выполнять другую полезную работу. Чтобы не затруднять мик
роконтроллер решением тривиальных задач, в его состав введено специальное периферийное устройство, называющееся программируемым таймером Будучи запущенным на выполнение, таймер отсчитает определенное число периодов тактовой частоты задающего генератора МК и после этого сообщит процессору о выполнении операции. К сожалению, КР1878ВЕ1 имеет только один таймер, но в большинстве радиолюбительских задач этого достаточно. Кстати, таймер может тактироваться не только встроенным генератором, но и внешней частотой, подаваемой на вход TCLC. Естественно, необходимо предварительно соответствующим образом сконфигурировать таймер.
Еще один встроенный специализированный таймер, называемый сторожевым (wathdog, «сторожевая собака»), предохраняет МК от «зависания». К примеру, в результате помехи или нештатной программной ситуации МК может «зациклиться», то есть начать непрерывное повторение одной и той же команды (или группы команд). Выйти из такой тупиковой ситуации помогает обычно выключение питания или внешний сброс. Но если МК автономен, то здесь ситуацию спасет только WDT. Работает он следующим образом В составе таймера есть счетчик, который, досчитав до определенного числа, вырабатывает сигнал сброса МК. Чтобы WDT постоянно не сбрасывал МК, необходимо периодически обращаться к таймеру и обнулять счетчик WDT рекомендуется задействовать только тогда, когда это действительно необходимо. Использовать его в других целях, скажем в качестве интервального таймера, едва ли удастся — слишком уж ограничены его интервальные возможности.
Последнее интересное устройство, имеющееся в составе МК, называется аппаратным стеком Стек — это тоже устройство памяти, но построенное не по адресному принципу, а совершенно иначе. Представьте себе длинный и узкий вертикальный ящик, в который складывают веши Положив на его дно свитер, а затем поверх свитера плащ, вы совершенно определенно будете уверены, что назад свитер вам не достать, пока не извлечете плащ. Так устроен и стек: он тоже похож на длинный и узкий ящик, но набиваются в него не вещи, а байты информации, причем программисту доступен становится только результат последней операции сохранения. Диковинно, не | правда ли? Зачем это нужно7 Не проще ли хранить данные в обыч
ной памяти? В основном стек используется для хранения служебной информации и позволяет не загромождать оперативную память. Цо еще стек незаменим в работе с подпрограммами.
Здесь нужно сделать небольшое отступление и вкратце рассказать, как МК узнает о том, какую команду выполнять дальше. Информационным источником является так называемый счетчик адреса, в соответствии с показаниями которого и осуществляется переход к следующей операции. Если команды выполняются одна за одной, счетчик адреса просто увеличивает на единицу свои показания. Но реальные программы устроены сложнее. Во-первых, существуют команды переходов на любое количество шагов, а во-вторых, часто используются подпрограммы, к которым основная программа обращается по мере надобности. Физически подпрограммы размещаются в памяти вслед за основной программой и работают по тем же принципам, с использованием тех же команд. При выполнении подпрограммы, естественно, изменяются показания счетчика адреса и регистра состояния процессора (о нем позже).
Отлично! Представим, что подпрограмма отработала и хочет передать управление основной программе. И вот тут-то могут возникнуть проблемы. Если не сохранить показания счетчика адреса, а также регистра состояния процессора в тот момент, когда осуществляется переход от основной программы к подпрограмме, при возвращении из подпрограммы работа МК нарушится. Поэтому вся эта информация сохраняется в стеке, а затем автоматически восстанавливается. Важно отметить, что в стеке предусмотрена возможность сохранения нескольких значений, относящихся к разным вызовам подпрограмм, поскольку одна подпрограмма может вызывать другую (помните: «...в доме, который построил Джек...»). Эта структура в программировании называется вложенностью процедур. Заметим, что вообще стеков может быть несколько (как показано на рис 3.2), и один из них сохраняет исключительно данные пользователя (по его требованию). Этот стек называется стеком данных в отличие от стека команд, обслуживающего подпрограммы и прерывания (о прерываниях тоже чуть позже).
В составе МК имеются тактовый генератор, схема питания и программирования, общая шина, осуществляющая связь между всеми устройствами Имеется также специализированная схема сброса.
0цутренняя работа этих устройств не должна сильно интересовать радиолюбителя. Главное, чтобы они просто работали И если работу схем питания, программирования и связи гарантирует производитель. то надежное функционирование тактового генератора и схемы сброса должен обеспечить пользователь. Автор, столкнувшийся с подобными проблемами, расскажет о путях их решения в соответствующих разделах, а пока следует рассказ о том, как безошибочно воспользоваться перечисленными аппаратными средствами.
Организация памяти и работа с ней
Оперативная память КР1878ВЕ1 относится к сегментированному типу и занимает пространство 256 байт. Любая команда, выполняемая МК, имеет в момент выполнения доступ нс ко всему адресному пространству памяти, а только к его части размером в 32 байта. Чтобы получить доступ к остальным ячейкам, необходимо выполнить команду перезагрузки сегментных регистров
Понять принцип построения сегментированной модели и научиться правильному обращению с ней поможет некоторая аналогия Представим всю оперативную память МК в виде табличных ячеек (рис. 3.3). Заметим, что в цифровой технике широко используется шестнадцатиричная система представления данных, поэтому не удивляйтесь, что после числа 9 идет нс 10, а буква «А». Практическое знакомство с отладочными средствами МК покажет вам очевидное преимущество такого представления, пока же примите это утверждение на веру и привыкайте к необычной системе счисления. Чтобы отличать основания систем счисления, числа записываются в виде 1716 и 1710. Это разные числа!
ОЗУ микроконтроллера, как видно из рис. 3.3, состоит из двух частей: области служебных данных, которые обеспечивают работу' МК, взаимодействие его частей, и рабочую область, в которой, собственно, хранятся операнды. О служебной области скажем особо чуть позже, разобрав назначение ее ячеек. Пока отметим, что приемы работы с областью операндов и со служебной областью аналогичны друг другу, то есть данные записываются, считываются и преобразуются одними и теми же командами.
Рис. 3.3. Таблица ОЗУ МК КР1878ВЕ1
Область служебных данных
Рабочая область
Итак, каким образом мы можем получить доступ к ячейке памяти? Обратим внимание на левый столбец цифр (рис. 3.3). Этими цифрами пронумерованы линейки, состоящие из восьми горизонтальных ячеек. Другими словами, определены адреса сегментов Чтобы микропроцессор знал, какие сегменты доступны в данный момент, нужно загрузить их адреса в специальные сегментные регистры SR0—SR3 Понятно, что если каждый сегмент состоит из вось ми ячеек, а сегментных регистров только четыре, то общее число доступных ячеек 32.
Сегменты определяются с помощью специальной команды загрузки сегментных регистров. Например, если МК выполнит последовательность команд:
LDR йа, 40h
LDR йЬ, 48h
LDR fle, 50h
LDR #d, 58h
то все ячейки сегмента с адресом 4016 будут сопоставлены с буквой «а».
ячейка 40|6 — %аО
ячейка 4116— %а1
ячейка 47|6 — %а7
То же самое сопоставление будет осуществлено и для букв «в», «с», «б» Если после этого МК выполнит команду
LDR #а, ДОП,
сегмент «а» переместится на адрес А0,6 и сопоставление уже будет другим:
ячейка А016 — %а0
ячейка А116 — %а1
ячейка А7|6 — %а7
Задавать адреса сегментов, отличные от указанных на рис. 3.3, нельзя. Например, сегмента с адресом 4116 не существует.
Наверняка у читателя возник вопрос: «Если существует неоднозначность в определении ячеек памяти посредством сегментов, то как микропроцессор узнает, из какой ячейки ему извлекать операнд и куда его записывать?» В том-то и дело, что никак не узнает. За расположением сегментов нужно следить программисту, вовремя переключать их, дабы не испортить данные.
Как еще «на пальцах» можно представить сегментированную мо-| дель? Допустим, у вас имеется лоток с 256 ячейками, закрытый крышкой. На крышке имеются четыре передвижных планки с прорезями, которые называются сегментами Передвигая планки, можно совмещать прорези с линейкой ячеек и работать с содержимым. Важно отметить, что сегменты, находящиеся в данный момент «под крышкой», могут только пассивно хранить данные, но непосредственно работать с данными возможно только в пределах открытых сегментов.
Составляя программу для МК, нужно помнить не только о расположении ячеек в сегменте, но и запоминать адреса активных сегментов Например, команда
MOV %Ы %а1
Осваиваем микроконтроллер
скопирует байт данных из ячейки 4116 в ячейку 49)6 в том случае, если сегментный регистр #а настроен на адрес 40 Наоборот, эта же команда перенесет байт данных из ячейки А1 6 в ячейку 49 6, ес и сегмент #а содержит адрес АО, .
Приведенный способ работы с памятью называется непосредственной адресацией операнда. Существует также способ косвенной адресации операнда Едва ли он будет использован начинающим йрограммпстом, по познакомиться с косвенной адресацией нелишне, так как применение метода в вычислительной техники весьма распространенное. И во-вторых, используя косвенную адресацию КР1878ВЕ1, можно не вспоминать о сегментированной модели
Чтобы обеспечить режим косвенной адресации, ячейкам %d6 и %d7 сегмента d присваивается особый статус регистров косвенноп адресации IR0 и IR1. Косвенный режим поддерживается служебными регистрами SR4—SR7, причем регистры SR4 и SR5 относятся к обеспечению работы регистра IRO, a SR6 и SR7 — к IR1. Регистры SR5 и SR7 задают режим работы IR0 и IR1 в соответствии с табл. 3.5
Таблица 3.5 Режимы работы IR0 и 1R1
j Биты 6 и 7 SR5 и SR7 Режим IR0 Режим IR1
00 отключен адресация памяти команд
01 автоинкремент адреса автоинкремент адреса
10 автодекремент адреса автодекремент адреса
11 чистая косвенность чистая косвенность
Регистры SR4 и SR7 содержат полный адрес операнда в памяти данных, то есть здесь уже можно забыть про сегментацию. Например, рассмотрим набор команд.
LOR #5, 11000000b
LOR й4, A9h
MOV %d0, 9td6
Желая перенести операнд из ячейки %d6 в ячейку %d0 на самом деле мы перенесем туда содержание ячейки А9 Спросите, зачем нужен такой метод адресации. Очень просто косвенная адресация позволяет сократить число команд при операциях с массивами данных, то есть большим количеством упорядоченных чисел. Не случай-
ио в табл. 3 5 заданы режимы автоинкремента и автодекремента адреса. Если регистр SR5 или SR7 автоинкрементируются, то в нашем примере повторение команды
НО »cJO, Чйб
перенесет данные уже не из ячейки А916, а из АА ь. Автодекремент отличается от автоипкремента тем, что уменьшает, а не увеличивает па единичку значение адреса. Чистая косвенность не меняет адрес.
Регистр IR0 можно отключить, тогда он превращается в обычную ячейку памяти, доступную в сегментированной модели. Отключить pei истр IR1 нельзя Он может быть использован в особом режиме адресации памяти команд Допустим программисту нужно разместить большое количество данных, которые не меняются (например, таблицу функции). Он может разместить их в памяти команд, следом за программными блоками, и адресоваться к ним с помощью регистра IR1. Поскольку для адресации памяти команд недостаточно 8 байт, регистр SR6 настраивается на младшие восемь бит адреса а в SR7 передаются три старших (размещаются в битах 0—2).
Если помните, нам встретилось повое понятие — прерывание Это еще один фундаментальный принцип устройства микропроцессорной техники. Давайте вспомним пример из жизни. Допустим мы заняты интересным делом, поглощающим все наше внимание — читаем эту книгу Но неожиданно нас п звали обедать, и скрепя сердце приходится откладывать книжку, заложив ее на нужной странице Перерыв однако; Прерывание
В микроконтроллерах сигналы прерываний генерируются внешними устройствами отвлекая микропроцессор на обработку возникающих в данном случае ситуаций. Скажем, таймер, закончивший счет интервала, генерирует сигнал прерывания Или WDT, не будучи вовремя обнуленным, тоже вызовет прерывание. Но что происходит внутри МК при возникновении прерывания Ответить па этот вопрос нам помогут сведения об устройстве памяти команд. В общем-то устроена она точно так же как и память данных, только в ее ячейках со держатся коды команд. Все ячейки имеют свои уникальные адреса, которые используются счетчиком команд для переходов Несколько ячеек памяти команд отводятся под обслуживание прерываний, при чем определенная ячейка обслуживает определенное прерывание
Если таковое возникает, микроконтроллер (вне зависимости от состояния счетчика адреса) переходит к исполнению команды, запи санной по закрепленному адресу. Этот адрес по-другому называется вектором прерывания
Прерывания могут быть немаскируемыми и маскируемыми Маскируемые прерывания можно запретить, тогда они вообще не бу дут возникать. Немаскируемые прерывания запретить нельзя В ряде случаев возможно, правда, отключить источник немаскируемого прерывания. А если одновременно возникает несколько прерыва ний? Разные МК относятся к такому факту по-разному, поэтому всегда во избежание недоразумений сверяйтесь с документацией. В МК КР1878ВЕ1 первым будет обслужено то прерывание, вектор которого меньше
Таблица 3.6 Вектора прерываний МК КР1878ВЕ1
Вектор Источник Маскируемость
0 Начальный пуск/сброс Н
1 Сторожевой таймер Н
2 Переполнение стека н
3 Интервальный таймер м
4, 5 Резерв —
6 Порт А м
7 Порт В м
8—Е Резерв —
F Завершение записи в ЭСППЗУ м
Как видно из табл. 3.6, прерывания могут быть сгенерированы портами ввода/вывода при возникновении перепада напряжения (положительного, отрицательного или обоих вариантов) на одной из линий порта Время реакции на прерывание 3 такта. Возврат из прерывания осуществляется по команде RTI При выполнении этой команды из стека восстанавливается информация, а процессор переходит к выполнению команды на которой было прервано выполнение.
Область служебных данных
Эта область обладает множеством необходимых функциональных свойств. С их помощью можно индивидуально настроить МК на выполнение задач (как говорят профессионалы: сконфигурировать МК), считать информацию с портов, вывести в них данные, сохранить требуемую информацию в ЭСППЗУ и узнать о результате выполнения той или иной команды. Распределение ячеек этой области показано на рис. 3.4. Обратите внимание: в области служебных данных очень много свободных ячеек Можно ли их использовать для хранения операндов пользователя? Ни в коем случае! Согласно документации, оперативная память МК расположена в пределах адресов 4016—DF16, остальные ячейки зарезервированы для будущих разновидностей МК этой серии. В данной модели они не адресуются.
00 регистр статуса рабочий регистр порта А рабочий регистр порта Б — регистр управления таймера рабочий регистр таймера — —
08 — — — — — — - — —
10 — — — — — — — —
18 — конфигурация порта А конфигурация порта Б — — управление WDT — —
20 — — — — — — —
28 — — — — — — — —
30 — — — — — — — —
38 управле ние ЭСППЗУ адрес ЭСППЗУ — — — — — данные ЭСППЗУ
Рис. 3.4. Распределение области служебных данных
Рассмотрим рис. 3.4. Рабочие регистры портов А и В предназначены для ввода/вывода данных. С ними можно работать точно так же, как и с любыми другими ячейками памяти Регистры конфигурации портов индивидуально настраивают каждую линию под решение
конкретных задач (тип вывода: вход или выход, характер вывода: «открытый коллектор» или полный выход, разрешение прерывания). Регистр конфигурации таймера устанавливает коэффициент деления входной частоты (частоты встроенного генератора либо внешней частоты, поступающей на вывод TCLC). Регистр управления разрешает или запрещает прерывания от таймера, а также запускает таймер на счет. Рабочий регистр устанавливает длительность интервала, который может определяться как 8-, так и 16-разрядным числом Сторожевой таймер представлен только одним регистром, который устанавливает коэффициент пересчета и сбрасывает WDT. Управление ЭСППЗУ данных построено очень просто, в регистр данных заносится байт информации, в регистр адреса — адрес ячейки, в которую необходимо поместить информационный байт. После этого в регистр управления заносится информация, разрешающая запись и, при необходимости, возникновение прерывания по окончании записи. При считывании байта из ЭСППЗУ в регистр адреса заносится адрес читаемой ячейки, затем посредством регистра управления разрешается чтение. После из регистра данных можно читать байт.
Автор не счел возможным подробно описывать процедуры работы с областью служебных данных, поскольку они очень подробно детализированы в оригинальной документации. Пользователю остается только открыть соответствующую страницу и аккуратно выполнить по стандартной схеме все надлежащие действия. Но вот на регистр статуса хотелось бы обратить внимание, чтобы прояснить его назначение, поскольку он есть во всех микропроцессорных системах. Это один из фундаментальных узлов МК.
Регистр статуса состоит из фтагов — информационных битов, установка в «1» или сброс в «О» которых может быть вызвано в результате выполнения команды. Различные микропроцессоры и микроконтроллеры могут иметь разный набор флагов, облегчающий программирование в той или иной степени. Регистр статуса КР1878ВЕ1 имеет только шесть самых необходимых флагов.
Таблица 3.7. Регистр статуса КР1878ВЕ1
Бит 7 6 5 4 3 2 1 0
Флаг — — DC OF IE S Z c
DC — флаг тетрадного переноса, который устанавливается при возникновении переноса из младшей тетрады (четырех младших бит байта) в старшую тетраду;
OF — флаг арифметического переполнения (используется при работе с целыми числами, имеющими знак);
IE — флаг разрешения маскируемых прерываний (устанавливается пользователем);
S — флаг знакового признака (устанавливается в результате получения командой отрицательного числа):
Z — флаг нуля (устанавливается при нулевом результате выполнения команды),
С — флаг переноса (устанавливается при переполнении разрядной сетки).
Зачем нужны флаги? Только они позволяют судить пользователю о результате выполнения команды. Например, если МК складывает числа 11111111b и 00000001b, то разрядная сетка будет явно переполнена и в ячейке операнда мы получим 00000000b. Как же так? Прибавили единичку к большому числу и получили ноль... Вот для таких случаев и существует флаг переноса, который будет установлен при выполнении нашего примера.
Другой пример. Нам необходимо сравнить два числа и только при их равенстве принять какое-то решение, например, что-то вывести в порт. Существует команда сравнения двух операндов СМР, которая просто вычитает один операнд из другого и в зависимости от полученного результата установит тот или иной флаг В случае равенства операндов будет установлен флаг Z.
Флаги OF и S предназначены для работы со знаковыми числами, то есть такими, старший разряд которых заменяет знак В случае переполнения этого разряда, когда происходит «налезание» переноса численного разряда, устанавливается флаг OF. Эта ситуация называемая переполнением мантиссы, хорошо описана в любом учебни ке по программированию. Флаг S устанавливается при изменении значения разряда, отвечающего за знак Радиолюбителю, начинающему освоение МК, можно до поры до времени забыть о том, что МК может работать со знаковыми числами (чтобы сразу не запутаться).
Отметим, что любой из флагов Z S, С может быть использован в условных переходах, то есть таких, при которых переход разреша
ется только по установленному (или сброшенному) флагу, в противном случае переход игнорируется. Категория команд, в которую входят условные переходы, называется категорией команд передачи управления Кроме условных переходов, в эту категорию входят также безусловный переход, выполняющийся независимо от каких бы то ни было флагов, переходы к подпрограммам и возвраты из них, а также возврат из прерывания.
Кстати, о наборе команд. Их у КР1878ВЕ1 — 52 варианта. Имеется класс двухоперандных команд, которые осуществляют сложение, вычитание, сравнение двух операндов, располагающихся в оперативной памяти. Кроме этого, в наборе двухоперандных команд есть команды битовых операций (логическое И, логическое ИЛИ, исключающее ИЛИ). Вы наверняка сталкивались с логическими операциями при изготовлении несложных конструкций на базе дискретных логических микросхем Класс литерных команд отличается от названного выше класса только тем, что один из операндов хранится прямо в команде в виде набора нулей и единиц, а не извлекается из памяти. Таким образом, литерные команды более ограничены в возможностях, нежели двухоперандные, но с их помощью удобно задавать начальные условия и экономить оперативную память.
Однооперандные команды (обмен тетрад, инверсия разрядов, сдвиги операндов, сложение и вычитание переноса) наиболее часто применяются в тех случаях, когда необходимо оперировать с числами, разрядность которых превышает восемь. Также однооперандные команды незаменимы при написании процедур двоичного умножения и деления. Поскольку в данном МК нет специальных команд, осуществляющих эти операции, приходится их эмулировать, программировать последовательностью более простых команд.
Служебные команды предназначаются для работы со служебными регистрами и стеком данных.
Специальные команды (ожидание прерывания, останов МК, сброс МК, пустая операция) пояснения не требуют, так как их назначение ясно из названия. Несколько слов следует сказать только о пустой операции (NOP), поскольку у читателя сразу может возникнуть вопрос, зачем нужна команда, которая ничего не делает, кроме инкремента счетчика адреса. На самом деле NOP едва ли не такая же важная команда, как пересылка или вычитание Перечисление ситуа
ций, где она может использоваться, заняло бы не одну страницу. Приведу только один пример.
Едва ли вы будете использовать в любой своей программе все возможные прерывания. Какие-то из них останутся незадействован-ными, соответственно и векторы этих прерываний работать не будут. Но ячейка, отведенная под вектор, чем-то все равно должна быть заполнена. Заполнять ячейку кодом первой попавшейся под руку команды просто некрасиво, а вот команда NOP изящно разрешит возникшую ситуацию.
Описывать правила работы с командами здесь также бессмысленно — вся необходимая информация есть в оригинальной документации. Начав программировать, разбираться в возникающих затруднениях и ошибках, вы достаточно быстро запомните названия команд и производимые ими действия. Это вопрос практики.
3.3. О тактовом генераторе и цепи сброса
Теперь, когда вы углубились в изучение основ программирования МК и напрочь забыли про аналоговую схемотехнику, автор вы-। нужден сообщить: вы от нее все равно никуда не денетесь! Если большие и мощные компьютеры породили класс профессий, представители которых занимаются исключительно программированием и имеют весьма туманное представление об электронных схемах, то в работе с МК схемотехника напоминает о себе постоянно. Сюда входит и согласование уровней логических сигналов между МК и внешними устройствами, оценка нагрузочной способности портов, быстродействие управляемых схем Проблем достаточно, и упомянуть здесь о всех едва ли возможно. Кое-какой опыт, надеюсь, вы поручили при работе с простейшими логическими схемами, и он вам несомненно пригодится.
Подробно хочется рассказать о решении двух проблем с которыми радиолюбитель столкнется сразу же, как только начнет собирать свою первую конструкцию с использованием МК Речь идет о надежном запуске тактового генератора и о надежном срабатывании цепи I сброса. Эти проблемы, будучи нерешенными заранее, порождают массу неудобств. Например, даже правильно написанная и отлажен-
ная в среде программирования рабочая программа, после «прошивки» в память МК откажется работать, если тактовая поддержка отсутствует. Радиолюбитель может потратить массу времени в поиске причины и даже счесть МК неисправным, отправив его в мусорное ведро.
Вторая проблема ничуть не проще первой. Представьте, что МК запускается, скажем, одни раз па десять включений питания, неожиданно пропадают данные из памяти, после чего память приходит в негодное состояние. К счастью, вариант, когда безвозвратно портится память, чрезвычайно редок. В практике автора таких случаев не было, не описана такая возможное 1ь и в документации по KP1878BEI, однако зарубежные производители, изготавливающие свои МК по той же технологии, напоминают о неприятностях и рекомендуют предпринять меры по предотвращению порчи памяти.
Поговорим вначале о тактовых генераторах. Сегодня тактовые генераторы, в целях уменьшения габаритов, не делают отдельно от МК, а реализуют прямо внутри микроконтроллеров. Но несколько внешних элементов подключить все же придется. Это сделано для того, чтобы можно было самостоятельно выбрать тактовую частоту исходя из конкретных параметров разрабатываемой схемы. Широко используются три типа тактовых генератора:
• кварцевые, обладающие высокой стабильностью частоты;
• релаксационные на основе RC цепей с невысокой стабильностью;
• пьсзокерамические, занимающие среднее положение между первыми двумя.
Основой кварцевых генераторов служит кварцевый резонатор который использует эффект резонансных колебаний кварцевой пластины. Эти колебания весьма стабильны и мало меняются при воздействии дестабилизирующих факторов, таких, как температура или время. Кварцевые резонаторы изготавливаются с нормированной частотой колебаний, что весьма удобно для потребителя. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представляет собой так назы ваемый высоколобротпый колебательный контур третьего вида, немного более сложный, чем рассмотренный ранее обычный колебательный контур. Кварцевый резонатор может возбуждаться как па
(Осваиваем микроконтроллер 281
Основной гармонике, так и на кратных ей частотах, что широко используется в технике радиосвязи и радиовещания. Работающих с микроконтроллерами интересует лишь цифра, указанная на корпусе резонатора, и поэтому мы не будем здесь вдаваться в особенности Гвысокой теории. Заинтересовавшиеся могут обратиться к источникам [62, 63].
Керамические резонаторы очень похожи на кварцевые по электрическим параметрам, по виду эквивалентной схемы. Однако для их I изготовления используется не искусственный кварц, получаемый по очень сложной технологии, а доступный титанат бария. Керамические резонаторы обладают существенно меньшей добротностью, нежели кварцевые, более подвержены температурному влиянию, хуже прогнозируются по частоте возбуждения, чуть менее надежно «запускаются» в составе генераторов. Тем не менее они широко используются в МК, поскольку значительно дешевле кварцевых и незаменимы на частотах ниже 500 кГц. Ведущим мировым производителем
| керамических резонаторов является фирма Murata.
Третий вариант задания тактовой частоты сводится к установке па входе генератора задающей RC цепи, обладающей, как извести , нормированной постоянной времени t = RC. Такой способ можно применять для таких устройств, которые не связаны с точным зада-пием временных интервалов, к примеру, автоматы световых эффек-тов, несложные сигнализации. Точность и стабильность RC генера-I торов определяются допусками его задающих элементов. Понятно, то если использовать элементы с жесткими допусками, стабиль-ное гь и точность установки частоты повысятся. И конечно, вырастут габариты, так как между стабильностью и размерами элементов су-I Шествует связь: чем элемент стабильнее, тем он больше по габари-|там
Встроенный тактовый генератор, используемый в подавляющем большинстве МК, приведен на рис. 3.5. Точно такая же схема применяется в КР1878ВЕ1. Инвертор D и высокоомный резистор R, пере-I водящий инвертор в линейный режим, включены в состав МК а конденсаторы Cl, С2, резонатор Z — внешние.
К выбору величины конденсаторов Cl, С2 следует отнестись вни-I мательно. Дело в том, что для возникновения колебаний нужно со-I блюсти два условия: баланс амплитуд и баланс фаз прямого сигнала
Рис. 3.5. К пояснению принципа работа тактового генератора
и сигнала обратной связи. Если баланс амплитуд соблюсти несложно, так как все сигналы ограничены напряжением питания, то баланс фаз — задача посложнее. Инвертор D «поворачивает» сигнал на 180°, и, чтобы сигнал обратной связи подать с выхода на вход инвертора, нужно «довернуть» его фазу еще на 180°. Для этого используются фазосдвигающие конденсаторы С1 и С2. Набег фазы от каждого конденсатора составляет 90°.
При проектировании тактового генератора величину конденсаторов С1 и С2 необходимо выбрать из табл. 3.8.
Таблица 3.8 Номиналь конденсаторов С1 и С2
Частота, кГц С1, пФ С2, пФ
. 32,768 68—100 68—100
455 47—100 47—10
1000—10000 15—33 15—33
Не исключено, что в процессе отладки придется подобрать величину конденсаторов в небольших пределах до надежного запуска генератора. Но в большинстве случаев подбор не требуется.
Особенность КР1878ВЕ1 состоит в том, что уже на стадии его программирования необходимо выбрать тип генератора, который предполагается использовать. Выбор производится непосредственно заданием соответствующей опции в программаторе (RC, кварцевый или керамический до 100 кГц, кварцевый или керамический свыше 100 кГц, внутренний). Внутренний генератор частотой около 50 кГп удобен при проверке МК Если, скажем, радиолюбителя постигнет полное фиаско с «прошивкой» МК, он всегда сможет написать не
большую тестовую программку, выводящую что-то на порт, а тактировать ее от внутреннего генератора Если вывод будет осуществляться, нужно «оживлять» МК со стороны тактового генератора или цепи сброса. Если МК продолжит «молчание», с большой долей вероятности можно утверждать, что микроконтроллер «замолчал» навсегда.
Поговорим теперь о цепи сброса. Если вы помните, один из выводов МК, названный RST, используется для внешнего сброса микроконтроллера и программирования его памяти команд О программировании, то есть «прошивке» МК, будет сказано подробно в следующем разделе. А вот о начальном пуске МК расскажем сейчас. Пока на вывод RST подан низкий уровень, микроконтроллер блокирован и не предпринимает никаких действий. Но как только на вход будет подан высокий уровень, происходит запуск на счет интервального счетчика задержки начального пуска МК. Счетчик отсчитывает интервал, равный 210 импульсов входной частоты тактового генератора. После окончания счета и выработки сигнала прерывания с вектором, равным 0, процессор начинает последовательное выполнение команд Кстати, при программировании МК можно выбрать вариант с включенным или отключенным счетчиком, тогда прерывание будет отработано сразу.
Специфика надежного запуска МК заключается в том, чтобы устанавливать сигнал RST не ранее, чем питание МК достигнет 3,5 В. Почему? Разные составные части МК начинают нормально работать при разных уровнях напряжения питания, но все гарантированно включаются при напряжении более 3,5 В Если сигнал RST установить слишком рано, когда, скажем, ОЗУ МК еще не начало работать, это однозначно приведет к сбою программы. Микроконтроллер может сразу же «зависать», не выполнив ни одной команды Что же делать? Не предусматривать же в схеме кнопку сброса, каждый раз удерживая ее перед пуском .. Сброс должен происходить автоматически, стабильно. Поэтому разработчики рекомендуют применять для сброса МК следующую схемку (рис. 3 6). При включении питания начинает заряжаться конденсатор С через резистор R1 Таким образом, высокий уровень на входе RST появится не сразу, а через некоторое время, определяемое постоянной времени R1C Диод VD
предназначен для быстрого разряда конденсатора С после выключения питания.
Рис. 3.6. Простейшая схема сброса МК
Опробовав эту схему, автор остался крайне недоволен ее работой. Запуск МК происходил нестабильно, притом приходилось после выключения питания выдерживать 5—10 секунд до полного разряда фильтрующих конденсаторов блока питания, чтобы разрядилась емкость С схемы запуска. Поиск более надежного способа сброса привел к разработке схемы рис. 3.7. Проблема сразу была решена: МК надежно сбрасывается и надежно запускается даже после серии быстрых включений-выключений.
Рис. 3.7. Падежная схема сброса МК
Пока напряжение питания не превышает 3,5 В, транзистор VT закрыт (переход «база—эмиттер» подперт резистором, образованным включенными послсдовагельно R1—R2). Но как только напряжение питания превысит 3,5 В, стабилитрон VD пробивается, то есть начинает пропускать ток, и открывает транзистор VT. Резистор R2 огра ничивает ток в базовой цепи транзистора.
Кстати, для сброса МК можно применять специализированные микросхемы, называемые супервизорами. Простейшие супервизоры имеют три вывода: общий, питания и выработки сигнала RST. По сути, схема, изображенная на рис. 3.7, является простейшим супервизором. Улучшенные интегральные варианты резче формируют перепад
уровня «низкий/высокий». Вы вполне сможете использовать для своих конструкций микросхемы МС34064 (Motorola) и КР1171СП42 (отечественный супервизор). Последние две цифры в маркировке отечественного супервизора свидетельствуют об уровне напряжения питания, при котором происходит выработка сигнала RST. Для данного супервизора это 4,2 В.
3.4. Инструментальные средства отладки
и программирования
Уважаемый читатель, вы уже наверняка задумались о том, как практически работать с МК. По ходу книги вам встречались слова «программирование», «отладка», «инструментальные средства». Давайте разберемся, что нам необходимо иметь «под рукой» из инструментальных средств, чтобы самостоятельно заниматься программи
рованием и отладкой.
Во-первых, нужна программа, в которой можно набирать и сохранять в отдельном файле текст программы. Обычно разработчики пользуются стандартным блокнотом Notepad, входящим в состав операционной системы Windows. В блокноте набирается программа в виде последовательности команд на языке Ассемблер. Для МК КР1878ВЕ1 текст программы сохраняется в отдельном файле с расширением .mic. Существуют также специальные настраиваемые про-I граммы, в которых текст расцвечивается разными цветами (служебные слова, операнды и т. д.). Такие программы называются блокнотами с подсветкой синтаксиса, их довольно много, и можно
выбрать подходящую по вкусу. Однако для приобретения опыта луч-
ше всего пользоваться традиционным способом.
Во-вторых, программа, написанная на языке Ассемблер, не мо-
жет быть автоматически «прошита» в память МК, так как микроконтроллер «понимает» только последовательность нулей и единиц.
Чтобы перевести программу в так называемый бинарный (загрузоч-
ный) код, необходимо ее транслировать. Запоминайте: для выполнения этой операции нам в любом случае понадобится программа транслятора В комплект отладочных средств МК КР1878ВЕ1 входит программа Tessa.exe — как раз тот самый транслятор. Чтобы перевести программу на язык машинных кодов, нужно выйти в DOS,
найти директорию, в которой расположена Tessa, в командной строке набрать следующую информацию:
tessa [-key] имя_файла_1 [имя_файла_2 [+...]]
Для удобства трансляции программа может быть разбита на модули, которые размещаются в разных файлах. В командной строке должны быть набраны имена всех файлов:
имя_файла_1 - имя головного файла;
имя_файла_2 - имя модуля.
В результате работы транслятора могут быть сгенерированы файлы со следующими расширениями:
.sav — загрузочный бинарный файл;
.1st — файл листинга;
.sym, .sdf — служебные файлы для обеспечения символьной отладки.
Листинг — очень удобное средство отладки, применявшееся еще на заре вычислительной техники. В файл листинга включается не только текст исходной программы, но также нумеруются строки с указанием, где допущены ошибки. Сообщения об ошибках выводятся в процессе трансляции, но дополнительная фиксация места ошибки облегчает ее поиск. Следует отметить, что транслятор отслеживает только синтаксические ошибки, связанные с неправильной записью команд Ассемблера, их форматом. Структурные ошибки или ошибки логики работы программы транслятор отследить не может.
Трансляция иногда производится с ключом [-key]:
[-1] - разрешает генерацию файла листинга;
[-d] - разрешает генерацию служебных файлов для обеспечения режима сивольной отладки.
Символьная отладка — удобное средство визуализации исходного текста программы, используемое в специальном отладчике
В большинстве случаев начинающему программисту рекомендуется пользоваться следующей инструкцией:
tessa -1 -d file.mic
Работа с транслятором в общем-то никаких сложностей не вызывает и может быть освоена за 5—10 минут. Гораздо важнее научиться не делать синтаксических ошибок в самом тексте программы
Предположим, что вы уже научились безошибочно набирать текст программы, транслировать его, создавать загрузочные файлы, файлы листинга и символьной отладки. Но как «отловить» ошибки, связанные с неправильным алгоритмом? Многократно «прошивать» программу в МК а затем опытным путем добиваться нормального функционирования? На такой путь уйдет слишком много времени и не гарантируется успешное окончание. Гораздо удобнее отмоделиро-вать выполнение программы по шагам наблюдая за состоянием регистров, сегментов, периферийными устройствами, прерываниями и значениями ячеек области данных. Имитировать, или, как говорят, эмулировать такой режим позволяет специальный отладчик debugger (для МК КР1878ВЕ1 это mc_wm ехе).
Главное окно отладчика изображено на рис. 3.8. Сверху окна имеется строка меню. В разделе file/load PC ROM file... загружается транслированный файл с расширением .sav. В разделе file/load DATA RAM . возможна загрузка данных ЭСППЗУ Воспользовавшись разделом file/save DATA RAM можно сохранить образ ЭСППЗУ, полученный в результате отладки, в отдельный файл.
В левом окне под строкой меню, появляется текст программы, восстановленный после трансляции. По виду он несколько отличается от исходного, поэтому отладку лучше проводить в символьном режиме, при полном соответствии восстановленного и исходного текста. Для этого имеется еще одно окно (оно расположено под окном восстановленного текста и растянуто на всю ширину окна отладчика).
В правом верхнем углу отображается состояние памяти данных (ОЗУ) и области служебных данных. Здесь же производится подсчет количества тактов процессора (InCLC). Сегменты, активизирован ные на данный момент, подсвечиваются полосами другого цвета. Внизу окна расположены указатели положения сегментов (Seg А, Seg В, Seg С, Seg D), косвенных регистров (IRO, IR1 — слева два бита режима, справа адрес), флаги регистра статуса (status) и указатели стеков (iSP — команд dSP — данных).
Светлой полоской на нижней кромке окна подсвечены функциональные клавиши, с помощью которых осуществляется управление
£[—[ Debugger
[ file Трасе Search
Ext_bev Emulation Save DataJWI . . . Load Data_RAM ...
: 0058 0059 0050 Й05В 005C
. 00' D ' 00SE. ? 005F 0060
90E5 805B 8039 9256 3027 E05F 916C______
90TC Jsr 07£b.
JSF jnp jnp Jsr addl jnd ________
jSr felGCJi.
rg
Е-
0E5h 85Bh 0398 256h ZA7a01h
05Fh b
_____1ИЦХ. ~ TnCLC a
0000 6000088000
ad dr ---t——beta-
See 0 f.^2*3 4 8840 -------------
0048 0050 0058 8060
ииив
FF FF FF FF FF
FF FF.FF FF.'FFFF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
5 6. FF FF FF FF FF “ FF.FF FF FF FF FF
FF s FF 5 FF ' FF FF
FF FF FF
xrxrxjv» ыи чел г г
0010 00 00 80 IF 80 00 00 00 0010 80i 00 00 00 00 00: FF 0F ВИ20 00 88 во 00 00 00 00 00 :
Symbol Table Symbol Table .Ainbol Table Symbol' Table Symbol Table Symbol Table Symbol Table
Not Not Not Not Not Not________
Ffpt Foun i
Found Found Found Found Found Found.
2
Seg_fi Seg_B Seg C. Si ; 0Д0 B00 000 I
IR0FZD6 IR1FZD7 Status ISP dSP> 00 0000 M авар ааайощэд ая йй
Рис. 3.8. Рабочее окно отладчика debugger
отладчиком. Клавиша Fl исполняет команду, помеченную символом «>» в окне восстановленного текста программы. Клавиша Р8 персво дит символ «>» на нулевой адрес памяти команд. Клавиша F5 задает так называемую точку останова программы, повторное нажатие F5 эту точку сбрасывает. Если после введения точки остановки нажать клавишу F3, отладчик выполнит цепочку команд от текущего положения символа «>» до точки останова.
Итак, загрузив программу в отладчик и оперируя функциональными клавишами, можно наблюдать любые действия, которые совершаются в МК после выполнения команд. Удобно задействовать эмуляцию ЭСППЗУ (если, конечно, оно используется в программе пользова теля). Вид эмулированного ЭСППЗУ показан на рис. 3.9. В программе отладчика имеются и другие возможности, но они пока едва ли заинтересуют начинающих, поэтому не будем забивать ими голову.
Что касается beta-версии отладчика, выполненного в среде Windows (для справки: отладчик me win работает в режиме эмуляции DOS), то, по мнению автора он нуждается в существенной дора ботке и в существующем виде использовать его для отладки про грамм не рекомендуется
Осваиваем микроконтроллер
и I iji
Addr r~ -Data .— -.
01234567 0000 24 00 00 00 00 00 00 00
EEPROM Memory Dump
s 0020 00 00 00 00 00 00 00 00 К
0028 00 00 00 00 00 00 00 00 5
л 0030 00 00 00 00 00 00 00 00 ;
3 0038 00 00 00 00 00 00 00 00 к
$ /у/уу,-уу ------ ...............K
Рис. 3.9. Окно эмуляции ЭСППЗУ
Мало разработать и отладить программу, нужно еще «прошить» ее в память микроконтроллера. Сама процедура «прошивки» осуществляется обычно побитно в соответствии с алгоритмом, приведенным в документации на МК. К счастью, сегодняшний начинающий разработчик имеет возможность воспользоваться уже готовыми программаторами. Поэтому основное внимание должно уделяться написанию хороших программ для МК.
Суть «прошивки» вкратце следующая. МК вставляется в панельку аппаратного программатора, подключающегося к любому порту компьютера, например к порту принтера (LPT) компьютера IBM-PC. Запускается программа поддержки, в ней открываются все необходимые бинарные загрузочные файлы, проводится загрузка данных в память МК. После завершения программирования схема аппаратного программатора полностью обесточивается. Просто, не правда ли? Однако даже в работе с простейшими программаторами нужно соблюдать несколько правил безопасности. Во-первых, нельзя подавать питание, не установив МК в панель программирования. Во-вторых, нельзя значительно превышать напряжение программирования, подавая на вывод RST МК КР1878ВЕ1 напряжение более 13 В И в-третьих, соблюдать правила работы с портами компьютера: все операции по подключению и отключению разъемов производить при полностью обесточенном компьютере. Не забывайте также об элементарных правилах техники безопасности.
Разработано несколько схем программирования КР1878ВЕ1. Одни схемы используют встроенный блок питания компьютера, другим хватает напряжения, получаемого с выводов порта, третьи включают в состав отдельный блок питания По мнению автора, использовать встроенный БП компьютера не рекомендуется, так как вы можете
случайно устроить короткое замыкание питающих выводов и вывести дорогостоящий БП из строя. Вариант питания непосредственно от линий порта использован в двух оригинальных разработках ОАО «Ангстрем». Первая разработка поддержана системой DOS и управляется только из командной строки. Она неудобна, так как нс обладает оперативностью, и здесь не описывается.
Вторая разработка (E03__prog.exe) работает в системе Windows Автор рекомендует использовать именно эту программу поддержки Ее внешний вид приведен на рис. 3.10. В полях path for *.sav file и path for EEPROM_Data file помещаются соответственно бинарный загрузочный файл и образ EEPROM. Поиск места положения этих файлов производится в стандартном диалоге Windows при нажатии кнопки browse. Файл образа EEPROM имеет расширение .dat и построен по простому текстовому методу, то есть содержит таблицу 8x8, набранную в шестнадцатиричном коде, например, такую:
11 ff ff ff ff ff ff 01
ff 22 ff ff ff ff 02 ff
ff ff 33 ff ff 03 ff ff
ff ff ff 44 04 ff ff ff
ff ff ff 05 55 ff ff ff
ff ff 06 ff ff 66 ff ff
ff 07 ff ff ff ff 77 ff
08 ff ff ff ff ff ff 88
Цифры должны быть отделены друг от друга пробелами.
Поле oscillator позволяет выбрать тип тактового генератора, а также включить или выключить задержку пуска (Reset Delay). После того как необходимые файлы помещены в соответствующие поля, опции установлены, включено питание программатора, можно нажи мать кнопку start. Программатор автоматически подаст питание на МК, «прошьет» программу в память и отключит питание МК по окончании цикла программирования
Теперь поговорим о той части программатора, которая на профессиональном программистском жаргоне называется «железом»
Рис. 3.10. Окно программатора ОАО «Ангстрем»
Действительно, программа поддержки может работать только совместно с дополнительной электронной схемой, которая сопрягает МК с компьютером и блоком питания, сигнализирует о подаче и снятии напряжения, а также выполняет основную возложенную на нее задачу — безошибочного программирования внутренней памяти МК. Оригинальная схема, предлагаемая для повторения производителем МК, содержит в своем составе дорогие импортные преобразователи напряжения типа ADP3000. Конечно, применение этих преобразователей позволяет отказаться от дополнительного источника питания, запитывать МК только от линий порта, но в практике радиолюбителя лучше сэкономить деньги и изготовить дополнительный БП из подручных средств. С учетом сказанного оригинальная схема была переработана (рис. 3.11).
Программатор собран из недефицитных деталей на печатной плате или кусочке картона. Разъемы XI и Х2 — серии D-SUB. Разъем XI имеет 25 контактов, подключается к LPT-1 порту компьютера. Разъем Х2 — 9 контактов (питание программатора). Длину проводов, соединяющих программатор с компьютером, следует сделать как можно меньше, так как в этом случае повышается помехозащищенность и быстродействие линии связи. Максимальная длина проводов — 0,5 м О конструкции блока питания будет рассказано в конце раздела. Транзисторы VT1 и VT3 подают питание 12 В на вывод 4 МК, транзисторы VT2 и VT4 — 5 В на вывод 14 Светодиод HL1 сигнализирует о подаче и снятии питания с МК.
Рис. 3.11. Первый вариант программатора КР1878ВЕ1
Разъем ХЗ — это стандартная 18-выводная панелька DIP. В фирменных промышленных программаторах в качестве этого коммутационного изделия применяется специально разработанная конструкция с нулевым усилием Микросхема вставляется в такую панель, потом ее выводы прижимаются к контактам специальным зажимом, съем происходит в обратном порядке. Повредить ножки МК невозможно, да и хороший электрический контакт гарантируется. Увы, большинству радиолюбителей панель с нулевым усилием недоступна, так как стоит она очень дорого. Конечно, можно изготовить ее самостоятельно, но здесь потребуются токарные работы. Проще использовать обычную панельку, лучше с цанговыми контактами. Как показывает опыт, надежный контакт с такой панелью сохраняется даже после многократных циклов перепрограммирования МК. Единственное, что нужно производить очень аккуратно, это вынимать МК из панели. Не торопитесь, подденьте МК попеременно с боков, понемногу, пока микросхема не будет свободно «гулять» в панельке В противном случае вы можете «под корень» обломить тонкие выво
ды. Вообще попробуйте сначала потренироваться на какой-нибудь ненужной вам микросхеме, разработайте панельку.
Как вы уже, наверное, поняли, главные недостатки описываемого программатора — малая длина линии связи с компьютером, неудобство работы с ЭСППЗУ, подключение только к порту LPT-1, невозможность верифицировать (проверить) память программ сразу после программирования Верифицировать программу желательно, так как после снятия питания +12 В сделать это будет невозможно - при следующей подаче питания +12 В память программ обнулится.
Учитывая перечисленные недостатки, радиолюбителем П. Семеновым совместно с автором этой книги был разработан новый программатор, в котором эти недоработки устранены. Рассмотрим вначале программу поддержки progve_new.exe, внешний вид которой изображен на рис. 3.12. Программа состоит из трех вкладок Вкладка «работа» — основная На ней можно выбрать опцию программирования (память программ, ЭСППЗУ или одновременное программирование). При программировании только памяти программ все данные ЭСППЗУ сохраняются. Бинарный файл программы вводится посредством стандартного диалога \\ indows по нажатию кнопки «открыть». Подача питания производится вручную нажатием кнопки «питание». Только после этого активизируются кнопки «тест» и «прошить». Если программатор неисправен, его тестирование без установки МК может выявить этот неприятный факт. О том, что питание подано на МК свидетельствует красный цвет индикаторов +5 В и +12 В, а также свечение светодиодов на плате программатора.
Вкладка «настройка» позволяет выбрать тип тактового генератора, включить или выключить задержку пуска МК, выбрать порт (LPT-1 или LPT-2), а также настроить программатор па работу с длинным кабелем связи посредством выбора значения «пауза в цикле». Дело в том, что МК подтверждает прием каждого бита ответным сигналом, и из-за большой длины кабеля сигнал может вовремя не дойти до порта (так называемая емкостная задержка). Поэтому приходится для длинных линий несколько увеличивать время цикла «запись—ответ». Оптимальное время задержки (в миллисекундах) следует подобрать экспериментально, но для коротких кабелей оно примерно равно 5—8, для длинных — 12—20. В любом случае не рекомендуется использовать провод связи длиной более 15м
1 ^Прог, иьпи М ц. КР1878ВЕ1 я
Работа Ю1] Питание Настройка | ® Редактор -♦5В |ШМ28»
- :jJ Т'- ' Программировать Память программ Память данных
t§i Открыть
ЦП-ГД Программ) ♦ дангые
а)
б)
' Программатор КР1878ВЕ1
Работа ] Настройка 'IgjРедактор I
Pl & I <• Hex С Dec
oojoi |02 |03 |04 |05 |06 |07 | *
OOOh )5100 00 00 00 00 00 00
008h 00 00 00 00 00 00 00 00
OIQh 00 00 00 00 00 00 00 00 018hJOO 00 00 00 00 00 00 00.^1
B)
Рис. 3.12. Окно программатора П. Семенова:
а — вкладка «Работа»; б — вкладка «Настройка»; в — вкладка «Редактор»
Вкладка «редактор» позволяет задавать данные ЭСППЗУ как непосредственно (в окне встроенной таблицы), так и из файла. Возможно считывание информации из ЭСППЗУ, сохранение ее в файл. Редактор работает как с шестнадцатиричными, так и с десятичными числами.
Последовательность работы с программатором следующая: открыть необходимые файлы, включить питание, нажать кнопку «прошить», дождаться окончания программирования (индикатор загрузки в нижней части окна заполнит всю строку) и отключить кнопкой «питание». Вставлять и вынимать МК из панельки можно, убедившись в отсутствии питания на аппаратном программаторе (светодиоды не горят).
Схема программатора изображена на рис. 3.13, двухсторонняя печатная плата — на рис. 3.14, а, сборка — на рис. 3.14, б. Микросхемы D1 и D1 — буферные. Они используются для обеспечения надежной работы программатора в условиях подключения длинного провода связи. В остальном аппаратная часть особенностей не имеет и в налаживании не нуждается. Получить программу поддержки можно с сайта издательства или по электронной почте, прислав письмо на E-mail: Solon-Avtor@coba.ru (в теме сообщения напишите «Программатор Павла Семенова»),
Итак, программатор вами изготовлен, получены навыки по программированию МК. Что дальше? А дальше программируйте на здоровье! Все необходимые инструменты в вашем распоряжении. Несколько советов в завершение. Если возникнет необходимость, можно изготовить макетную плату, разместив на ней только кварцевый резонатор, цепь сброса, панельку под МК и два разъема, которые подключены к обоим портам. Вам остается только перекинуть перемычки в отлаживаемую схему. Автор разработал такую плату, но здесь не приводит по причине крайней простоты. Вы сами сможете разработать такую плату по своему вкусу и под имеющиеся в наличии детали.
Возможная схема блока питания приведена на рис. 3.15. Автор собрал ее за час из подручных деталей Подойдут даже параметрические стабилизаторы (в крайнем случае), так как потребление тока при программировании невелико. Но лучше изготовить БП помощ нее он пригодится не только для программирования, но и во многих других случаях.
К порту LPT1
Рис. 3.14, б. Сборочный чертеж в масштабе 2:1
19 20
Рис. 3.15. Возможная схема блока питания
3.5. Цифровой синтезатор частоты
Если вы помните, автор обещал вернуться ближе к концу книги в область высококачественного радиоприема, поскольку цель этой книги построение современного УКВ стереоприемника. «Не слишком ли крутой переход от программирования к аналоговой схемотехнике?» — спросите вы. В том-то и дело, что переход этот делается как нельзя кстати.
Давайте зададимся таким в просом как нам быстрс найти в эфире ту или иную радиостанцию? Классический вариант, использующийся давно, предполагает наличие специальной шкалы, на которую нанесены частотные риски. Совпадение риски с указателем, перемещающимся под действием ручки настройки, знаменует совпадение частот настройки приемника и передающей радиостанции. Способ, прямо скажем, довольно грубый. Вы можете убедиться в этом, взяв в руки старенький промышленный УКВ приемник. Небольшой поворот ручки настройки — и из динамика слышны звуки другой радиостанции, а указатель шкалы почти не переместился. Неудобно также запоминать частоты полюбившихся радиостанций В свое время автор видел радиоприемники, владельцы которых наклеивали на шкалу настройки кусочки изоленты, чтобы отметить любимую волну.
В современ ь х условиях в зм жна не тольк высокоточная установка частоты приема, но еще и занесение в память приемника частоты настройки, и мгновенное извлечение из памяти при необходимости. Задача эта под силу только синтезатору частоты настройки, включающему в свой состав как аналоговую, так и цифровую части. Без использования микроконтроллера в области синтезирования частоты ныне вообще нечего делать.
Итак, что представляет собой цифровой синтезатор частоты? Взгляните на рис. 3.16. Генератор G1 — так называемый опорный генератор, частота которого поддерживается с высокой точностью. Наиболее часто в качестве задающего элемента генератора используется кварцевый резонатор. Частота этого генератора подвергается делению с коэффициентом п в блоке А1 до значения, соответствующего требуемой сетки частот, или шага, с которым возможна перестройка частоты приема. Шаг перестройки не должен быть слишком |болыним, иначе некоторые станции могут быть пропущены. Бес
смысленно делать шаг слишком маленьким, поскольку важна также скорость перестройки, да и качество звучания приемника от этого не повысится. Очевидно, сетка частот будет определяться шириной полосы пропускания тракта ПЧ супергетеродинного приемника. Оптимальный шаг составит приблизительно 0,1—0,05 от ширины полосы пропускания ПЧ
В составе синтезатора частоты имеется генератор, управляемый напряжением (ГУН) G2, который одновременно является гетеродином радиоприемника. Частота этого генератора также делится с коэф фицпснтом т в блоке А2. Опорная частота и частота ГУН (естественно, уже поделенные) подаются на фазовый детектор АЗ, который формирует управляющий сигнал, пропорциональный фазовой, а значит, и частотной ошибки между обоими сигналами. Сигнал фазовой ошибки проходит через ФНЧ Z1 и подстраивает частоту ГУН до момента совпадения опорной частоты и частоты ГУН (с точностью до фазы). Опуская математические выкладки, можно сразу записать конечный результат, который показывает, как формируется частота ГУН:
f ~-f J ГУН Jc
п
Хорошо видно, каким способом мы можем перестраивать синтезатор. Достигается это изменением коэффициента деления m счетчи ка А2. Еще один немаловажный факт: сам по себе ГУН может обладать весьма невысокой стабильностью, но синхронизированный кварцевым генератором он приобретает стабильность последнего1
Вы спросите: а нельзя ли обойтись в данном случае без фильтра Z1. ведь фазовый детектор уже имеет в своем составе фильтр, выделяющий сигнал фазовой ошибки? Нельзя. И более того, фильтр Z1 — это не просто интегрирующая цепочка, а рассчитанная по достаточно непростой методике пропорционально-интегрирующая цепь. Особенность такой цепи заключается в искусственном приостановлении спада частотной характеристики в области высоких частот добавлением последовательно с конденсатором активного сопротивления Зачем? Во-первых, синтезатор частоты построен на основе знакомой нам система ФАПЧ, в которой принципиальным моментом является наличие обратной связи. Раз есть обратная связь, значит, появляется понятие устойчивости системы в целом. Нужно так соблюсти фазовые сдвиги, чтобы в петле не возникла генерация Во-вторых, система ФАПЧ в данном случае должна быстро реагировать на процесс перестройки частоты (представьте, что вы перестроились на другую волну, а приемник медленно «плывет» к заданной точке), но в то же время нс реагировать на случайные помехи, скачки напряжения и прочие дестабилизирующие факторы.
Обеспечить устойчивость петли ФАПЧ — задача наиболее сложная и нетривиальная. Если сравнивать ту же самую задачу применительно к усилителям низкой частоты, то в них для получения устойчивости петли обратной связи достаточно бывает немного «подвалить» коэффициент усиления на высоких частотах. Совсем по-другому обстоит дело с синтезаторами. Решить эту задачу методом проб и ошибок очень трудно, так как часто оказывается, что «завал» высоких частот в петле приводит не к устранению, а к усилению генерации Бывает, что система может мягко «успокаиваться» и через некоторое время так же мягко снова начать «генерить». К слову, автору пришлось сразиться с генерацией в петле ФАПЧ, и он воочию убедился в том, что «метод научного тыка» здесь себя не оправдывает. Только обратившись к построению математической модели системы, компьютерному анализу ее фазовых характеристик, удалось [ «успокоить» синтезатор В принципе для конструкций, описанных в книге, с помощью этого метода была обеспечена устойчивая работа и повторяемость результатов. Но если вы захотите что-то изменить разработать свою конструкцию, не исключено, что вам также при I дется провести экспресс-анализ. Советую не ломать копья, а обра
титься к литературе [64]. Теория, содержащаяся в этой книге, поможет вам найти оптимальные решения проблем.
В мире сегодня выпускается множество разных синтезаторов частоты для профессиональной и любительской аппаратуры. Увы, подавляющее большинство микросхем непригодно для радиолюбительского творчества по причине высокой интегрированности, узкого применения, неудобных в монтаже корпусов и высокой стоимости Но не стоит огорчаться, так как выпускаются и простые варианты, как нельзя лучше подходящие радиолюбителю, работающему в домашних условиях. Например, фирма «Филипс» давно освоила и выпускает микросхемы SAA1057 и TSA6057. Недавно автору стало известно, что ОАО «Ангстрем» осваивает выпуск микросхемы КР174ПЛ1 — полного аналога TSA6057. Хотелось бы, чтобы эта микросборка появилась на рынке как можно раньше. А пока рассмотрим в качестве примера микросхему SAA1057 и опишем конструкции на ее основе. Впрочем, TSA6057 незначительно отличается по своим возможностям, способам программирования. Освоить ее так же несложно.
Итак, микросхема SAA1057 стоит примерно 2 доллара и выпускается в 18-выводном корпусе DIP. Назначение выводов показано в табл. 3.9, электрические характеристики приведены в табл. 3.10.
Таблица 3.9. Назначение выводов SAA1057
1 TR Выводы подключения элементов, обеспечивающих работу фазового детектора
2 ТСА
3 тсв
4 DCS Вывод подключения блокировочного конденсатора
5 IN Вход буферного усилителя
6 OUT Выход буферного усилителя
7 Vccs Вывод питания выходного усилителя
8 FFM Вход частоты ГУН ЧМ
9 Vcc1 Вывод питания цифровой ВЧ части
10 DCA Входной разделительный конденсатор
11 FAM Вход частоты ГУН АМ
12 DATA Линия программирования синтезатора
13 DLEN Линии программирования синтезатора
14 CLB
15 vi Общий вывод
16 V«2 Вывод питания цифровой и аналоговой НЧ части
17 XTAL Вывод подключения кварцевого резонатора
18 TEST Тестовый вывод
Таблица 3.10 Электрические характеристики SAA1057
Параметр технических условий Мин. Норма Макс. Ед. изм
I Напряжение питания: I на выводе Vtt1 на выводе на выводе 3,6 3.6 Vcc2 5 5 12 12 31 В
Ток потребления: в режиме АМ в режиме ЧМ ПО ВЫВОДУ 0,3 16 20 0.8 1.2 мА
Входная частота АМ 512 — 32000 кГц I
»| Входная частота ЧМ 70 — 120 МГц
Входная емкость по выводу 11 — 3,5 — пФ
Входная емкость по выводу 8 — 3,0 — пФ
Частота кварцевого генератора — 4,000 — МГц
Входные сигналы DLEN, CLB, DATA: низкий уровень высокий уровень 0 2,4 — 0.8 Vcc1 В
Установка сигналов DLEN, CLB, DATA 5 — — МКС
Удержание сигналов DLEN, CLB DATA DATA to CLB DLEN to CLB 0 2 — — мкс
I Время готовности к приему следующего 1 пакета данных (асинхронный режим) 0.3 — мс
Структурная схема SAA1057 показана на рис 3 17. Цифрами на пей обозначены:
1 — входной каскад ЧМ сигнала;
2 — входной каскад АМ сигнала;
3 —делитель на 10;
304
Осваиваем микроконтроллер
4 — встроенный стабилизатор напряжения;
5 — интерфейсная схема программирования;
6 — мультиплексор;
7 — 15-битный программируемый счетчик;
8 — фазовый детектор;
9 — блокировка слова А (15 бит);
10 — блокировка слова В (15 бит);
11 — регистр-защелка (16 бит);
12 — цифровой фазовый детектор;
13 — счетчик;
14 — сумматор;
15 — делитель частоты опорного генератора (коэффициент 100 или 125);
16 — программируемый токовый усилитель;
17 — буферный каскад,
18 — опорный кварцевый генератор;
19 — схема формирования тестового сигнала
Программирование синтезатора осуществляется с помощью двух слов длиной по 16 бит каждое. Слово «В», содержащее служебную информацию, «прошивается» в первую очередь, слово «А» содержит данные о частоте настройки. Важно отметить, что, если читатель предполагает использовать синтезатор только в диапазоне ЧМ, слово «В» можно «прошить» только один раз, при включении приемника. Структура управляющих слов показана на рис. 3.18. 16-й бит каждого слова определяет принадлежность его к той или иной группе (А или В). До введения любого слова должно быть установлено состояние leading zero (ведущий ноль), о котором будет сказано позже. Слово «А» может программироваться в диапазоне от 512 до 32767 (в десятичном представлении, естественно) и других особенностей не имеет А вот слово «В» требует значительно более подробных пояснений. Рассмотрим последовательность бит при программировании слова «В».
О | 21< | 213 | 22 | 2" | 2’ | 29 | 2° | 27 | 2° | 2s | 2* | 23 | 23 | 2 | 2° | А
Heading*
I zero ।___________________________________________________________________________________
] | 1 | FM ^EFH| CP3 I CP2 ICP1 I CPO I SB2 I SLA |pDMl|PDMo|BRM I T3 I T2 I T1 I то~] в
Рис. 3.18. Структура управляющих слов
— FM — селектор AM ЧМ («1» — ЧМ, «О» — AM);
— REFH — шаг сетки частот (в режиме ЧМ. «1» — 12,5 кГц, «О» —10,0 кГц;
в режиме AM: «1» — 1,25 кГц, «0» — 1,00 кГц);
— СРЗ, СР2, CPI, СРО — биты выбора режима выходного тока
программируемого токового усилителя (согласно табл. 3.11).
Таблица 3.11
СРЗ СР2 СР1 СРО 1выж» мА
0 0 0 0.023
0 0 0 1 0 07
0 0 1 0 0,23
0 1 1 0 0.7
1 1 1 0 2.3
Примечание. Не рекомендуется использовать в схемах синтезатор, настроенный в соответствии с первой строкой табл. 3.11, так как в этом случае значительно снижается скорость перестройки по диапазону и возрастает вероятность самовозбуждения.
— SB2 — бит автоматической установки. В случае, если этот бит программируется в «0», младшие 8 бит слова «В» автоматически становятся нулями;
— SLA — бит способа передачи («1» — синхронная, «0» — асинхронная);
Примечание. Пользоваться рекомендуется только асинхронным способом передачи.
— PDM1, PDM0 — биты управления цифровым фазовым детектором (согласно табл. 3 12)
Таблица 3 12
PDM1 PDM2 Состояние цифрового фазового детектора
0 X Автоматическое включение/выключение
1 0 Постоянно включен
1 1 Постоянно выключен
BRM — бит включения выходного усилителя, позволяющий отключить усилитель в моменты передачи данных («1» — автоматическое отключение; «0» — постоянное включение);
Примечание. Эксперименты, проведенные автором с этим битом, не выявили существенной разницы режимов. Рекомендуется постоянное включение.
ТЗ, Т2, Т1, ТО — биты задания тестового сигнала (рекомендуется эти биты программировать нулями).
Программирование синтезатора частоты осуществляется по диаграмме, приведенной на рис. 3.19. Вначале все три линии (DLEN CLB, DATA) устанавливаются в нулевое состояние. После этого линия DLEN переводится в состояние «I» и стробируется импульсом по входу CLB Внимание! Линия данных DATA находится в состоянии leading zero.
Рис. 3 19. Программирование синтезатора частоты
Далее поступает пакет данных, стробируемых по входу CLB. После окончания передачи пакета данных (первым должен быть передан бит 16, последним — бит 0) линия DLEN переводится в состояние нуля и следует стробирующий импульс по входу CLB. Если последняя операция не будет выполнена, синтезатор не сможет начать работу. Помните об этом! Рекомендуется также цикл записи бита выполнять за время нс менее 30 мкс.
Типовая схема включения синтезатора на базе SAA1057 приведена на рис. 3.20.
3.6. «Чтобы прозреть». Буквенно-цифровые ЖКИ
Если вы помните, лицевая панель классического радиоприемника содержит множество органов визуального отображения информации. Здесь располагаются регуляторы громкости с нанесенными делениями, шкала настройки, различные переключатели режимов, индикаторы. Современный радиовещательный приемник устроен так, что имеет всего несколько кнопок, а максимум необходимой для пользователя информации отображается на цифровом табло. Обычно табло выполняется на основе технологии жидких кристаллов (ЖКИ), на нем отображается частота настройки, состояние внутренних узлов, уровни сигналов, информация RDS и многое другое. Ведущие фирмы специально разрабатывают ЖКИ под конкретную модель, компонуют отображаемую информацию по принципам эргономики. Радиолюбителю, конечно, едва ли удастся воспользоваться таким специализированным индикатором. И все же попробуем применить современные технологии к оформлению наших конструкций, воспользуемся готовыми изделиями широкого применения, благо они распространены на отечественном рынке, доступны и недороги. Внешне ЖКИ широкого применения выглядят, конечно, не так красиво, как специализированные ЖКИ, но для самодельной аппаратуры этого достаточно. К тому же объем выводимой информации соперничает с хорошими фирменными моделями. Например, автор без особого труда вывел на описываемый ЖКИ частоту настройки (с точностью до 10 кГц), выполнил индикацию режима настройки (плавная или фиксированная), номер фиксированной настройки. При желании можно, доработав схему, индицировать режим «моно/стерео».
Буквенно-цифровые ЖКИ выпускаются сегодня многими фирмами за рубежом (Optrex Corporation, Intech, Powertip, Data Vision, Seiko Instruments, Az Displays), проходят их освоение у нас в стране. Индикаторы различаются количеством строк, количеством выводимых символов в строке, типом жидких кристаллов, наличием или отсутствием подсветки. Конструкция индикаторов представляет собой печатную плату, на которой расположены выводы подключения и управляющие элементы. Сверху на печатной плате закреплено жид
кокристаллическое табло в металлической оправке Индикатор крепится к лицевой панели с помощью четырех отверстий, расположенных по углам печатной платы. Внешний вид 16-символьного индикатора DV-16100 показан на рис. 3.21. Подробную техническую информацию относительно применения, номенклатуры и особенностей ЖКИ можно получить как с серверов фирм-производителей, так и из книг [66]. Целью этого описания является знакомство с ЖКИ.
Рис. 3.21. Внешний вид ЖКИ DV-16100
В основе схемы управления всех буквенно-цифровых ЖКИ лежит специализированная микросхема KS0066 или ее аналоги (например, HD44780), которая имеет большое число выводов, часть из которых подключена к жидкокристаллическому табло, а часть выведена для подачи управляющих сигналов. Управление типовым индикатором осуществляется с помощью 16-контактного разъема, причем два контакта (15 и 16) могут быть не задействованы, если отсутствует подсветка индикатора. Технология отображения символов может быть разной: супертвист нематической, черно-белой и отражающей. Различаются и способы подсветки: электролюминесцентная, светодиодная, флуоресцентная с холодным катодом Важно отметить, что все индикаторы, обладающие элементами подсветки, значительно дороже по стоимости в сравнении с такими же ЖКИ, но не имеющими подсветки. Более того, супертвист нематический — способ отображения па самом деле самый неудачный, так как формируемые символы обладают малой контрастностью, видны не под всеми углами. И тем не менее эти индикаторы самые дешевые, поэтому автор рекомендует использовать их в радиолюбительских конструкциях. Кстати, подсветку можно сделать само
стоятельно, обточив и прикрепив по контуру индикатора несколько светодиодов.
Разберемся теперь, как управлять индикатором. Назначение управляющих выводов приведено в табл. 3.13.
Таблица 3.13 Назначение вь водов стандартного ЖКИ
1 Vs, Общий вывод
2 V*, Питание
3 vw Управление контрастностью
4 RS Управление «данные/команды»
5 R/W Управление «чтение/запись»
6 E Импульс строба
7 DBO Шина данных и команд
8 DB1 Шина данных и команд
9 DB2 Шина данных и команд
10 DB3 Шина данных и команд
11 DB4 Шина данных и команд
12 DB5 Шина данных и команд
13 DB6 Шина данных и команд
14 DB7 Шина данных и команд
15 LEDA Питание подсветки
16 LEDB Питание подсветки
Данные могут поступать в ЖКИ по 8- или 4-разрядной шине (при нехватке разрядов МК) по линиям DB0-DB7 или DB4 DB7. При этом для отображения символов использован так называемый принцип знакогенератора В памяти управляющей микросхемы жестко «прошита» таблица символов (рис. 3 22). Соответствующий символ отображается при приеме информации по линиям DB0-DB7. Из рис. 3.22 хорошо видно, что комбинация из 8 бит содержит 255 уникальных ячеек знакогенератора. К слову, знакогенератор может быть русифицированным, то есть иметь набор букв кириллицы или не иметь не только русских букв, но даже и английских, а, например,
только иероглифы. Естественно, набор символов обязательно помечается в маркировочном названии. Обращайте на это обстоятельство внимание при покупке индикатора!
01 234567 89ABCDEF
0 0 3F F E SKI 4 1
1 1 PC 1а Я Г Ш 1
2 I '2 BF хЬ p Ё - 6 ъ 11 ip
3 4 43 СЕ Sc 5 F Нв M II 1 1
4 с И D" Fd Sr ь фй
5 □ □ 5 ЕЕ Je u f de G x P-
6 ЕЕ Jf и E Ю X ЖА|
7 ? GL Jg и J Пэ я I z E
8 се Н> X Г 1И << Л --
9 >9 Р r1 i ч S и >> Ф “X
А к ° р z t’K cc Ф (H
В - Ь ° KI Ek ID 4 л 77 H-
С с< И 15 L Jm H ill
D _ = и ] m 15 1 dH c *1
Е с Nz 4n b In J
F ♦ 0_ _o £ У St £ □ Of
Рис. 3.22. Знакогенератор ЖКИ (русифицированный)
Управлять индикатором в режиме простого ввода символов (когда символы выводятся последовательно, один за другим) просто: достаточно подать на линии DB0—DB7 код символа, а затем провести стробирование по входу Е. Запись данных произойдет по спаду сигнала Е Сигнал RS в этом случае должен находиться в положении «1», а сигнал R/W — в положении «0».
На самом деле полный цикл управления индикатором несколько сложнее. Дело в том, что в режиме простого вывода символов, как
уже было сказано, знакоместа заполняются слева направо, последовательно. А если необходимо будет очистить индикатор или изменить что-то после вывода, в определенном знакоместе? Вот тут на помощь придет система управляющих команд. Добавим, что перед началом работы индикатор также должен быть сконфигурирован, иначе он не сможет работать. Учитывая это, разработчики ввели отображение курсора (постоянно горящего или мерцающего), возможность его отключения, различные сдвиговые режимы (режимы прокрутки отображаемой информации). Если с курсором все попятно, то зачем нужны сдвиги? Дело в том, что данные, вводимые в память индикатора, не теряются, а фиксируются во внутреннем ОЗУ, рассчитанном на 80 символов Но вот индикатор DV-16100 содержит, например, только 16 отображаемых знакомест. Остальные введенные символы не видны, по их можно просмотреть и отредактировать, оперируя командами прокрутки.
Еще одна интересная особенность — индикатор может работать как в однострочном, так и в двухстрочном режиме. «Как это возможно, — спросит читатель, — если имеется всего одна строка?» Очень просто, например, для DV-16100 первые 8 символов принадлежат первой строке, а вторые 8 — строке номер два. Всего же обеим строкам принадлежит по 40 символов. Если сконфигурировать однострочный режим, все возможности индикатора не будут использованы. Поэтому рекомендуется пользоваться режимом двух строк.
Запись команд происходит также по стробу Е, при этом сигналы RS и R/W устанавливаются в положение «0». Код команды передается по линиям DBO—DB7. В табл. 3.14 приведены основные команды типового ЖКИ.
Таблица 3.14. Команды управления ЖКИ
Код команды Описание команды
DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 0 1 Очистка индикатора
0 0 0 0 0 0 1 X Возврат курсора в начальное положение
0 0 0 0 0 1 I/O SH Установка режима ввода: I/O — увеличение/уменьшение адреса ОЗУ. SH — сдвиг дисплея вправо/влево
Код команды Описание команды
DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 1 D С В Команда включения диспления: D — включение/выключение курсора' С — включение/выключение курсора; В — управление мерцанием курсора
0 0 0 1 S/C R/L X X Сдвиг курсора или дисплея: S/C — сдвиг курсора/дисплея; R/L — сдвиг вправо/влево
0 0 1 DL N F X X Команда конфигурации: DL — разрядность шины; N — количество строк дисплея; F — размер шрифта знакогенератора
0 1 АС5 АС4 АСЗ АС2 АС1 АСО Установка адреса знакогенератора пользователя
1 АС6 АС5 АС4 АСЗ АС2 АС1 АСО Установка адреса встроенного ОЗУ (однострочный режим — от 00b до 4Fh; двухстрочный — от 00b до 27b и от 40h до 67h)
Следует отметить, что в составе ЖКИ имеется несколько ячеек, в которые можно заложить собственные символы знакогенератора. Процедура программирования пользовательских символов довольно хитрая, поэтому здесь не приводится. Лучше использовать встроенные символы.
Существуют команды чтения из ОЗУ кодов введенных символов и чтения состояния управляющей микросхемы. Эти операции осуществляются при установке сигнала R/W в положение «1». Команда чтения состояния позволяет определить, выполняет ли индикатор в данный момент какие-либо операции или ждет приема информации Команда выполняется при установке сигнала RS в положение «О». Если линия DB7 установлена управляющей микросхемой в высокое состояние, это свидетельствует о занятости индикатора — операции вывода производить нельзя Радиолюбителю рекомендуется пользоваться более простой операцией вывода, когда после выполнения любой команды дается задержка перед следующей на время не менее 40 мкс.
Последний вопрос связан с питанием индикаторов Потребляют они сущий пустяк — до 10 мА при напряжении питания 5 В. Не рекомендуется превышать значение питающего напряжения выше 7 В Регулировку контрастности следует осуществлять в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3.23. Резистором R необходимо добиться такого положения, при котором отображаемые на табло символы будут наиболее контрастными, а засветка знакомест — минимальной. Поэкспериментируйте с этим резистором при разных положениях индикатора в пространстве.
И еще один совет. Индикатор слабо защищен от наводок по цепям питания, отображаемая информация может сбиваться. Поэтому рекомендуется периодически ее обновлять, скажем, с периодом в I секунду Мерцания табло вы практически не заметите, а помехозащищенность возрастет.
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
Создаем цифровой стереотюнер
Ну вот мы и подошли к конечной цели нашей книги — изготовлению высококачественного стереофонического тюнера Его схема представлена на рис 4.1. На первый взгляд хитросплетение сигнальных линий немного пугает. Но не отчаивайтесь, приглядитесь внима-ательно, и вы увидите знакомые узлы. Давайте вспомним, что к чему относится.
На микросхеме D1 собрана радиоприемная часть, включающая в себя УВЧ, УПЧ и стереодекодер. Такой блочок вы собирали и настраивали в разд. 2.3. Индикатор HL1 служит элементом точной на-I стройки, индикатор HL2 включается при приеме стереопередачи. Варикапы VD1 VD4 относятся к узлу точной настройки Транзистор VT1 работает в каскаде буферирования гетеродинного сигнала Он построен на полевом транзисторе по типовой схеме истокового повторителя. Катушка L1 относится к ВЧ тракту (преселектор), L2 — I гетеродинная. Катушка L3 работает в тракте ПЧ, L4 — контур частотного детектора. Намоточные данные катушек можно взять, например, из описания схемы рис. 2.39. Переключатель S1 может при-I нудительно задавать режим «моно». Резистором R7 настраивается I частота свободных колебаний ГУН стереодекодсра.
Собственно, вы можете уже приступать к сборке тюнера, не дожидаясь окончания рассказа о работе всей схемы. Тем более что отлаживать схему по узлам намного удобнее, чем, собрав всю схему I сразу, ломать голову в поиске ошибок. Печатная плата приемника изображена на рис 4.2, а, сборочный чертеж — на рис. 4 2, б. Плата выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Соберите на плате радиоприемную часть, найдите на ней место I соединения резисторов R1 и R5, подключите к этой точке переменный резистор, как показано на рис. 4.3. Проводя стандартную опера-|цию настройки, добейтесь работоспособного состояния радиоприем ной части. В дальнейшем вам потребуется немного подстроить тракт радиоприема УНЧ подключите к выводам 14 и 13 микросхемы D1.
♦Опит 58
С16 1000
R37 Юк
С12
О.ЗЗмк
С41 З.Змк 6.3В
R38 5.1к
С8
62
С13
330
11С9
0,022мк
VO1 VD2
С17
HL1
10к
R36 18К
R40 510
R41 510
R39 510
С18 62
R5 Ок
С39 ),33мк
R34 100 к
R33 Юк
ДГЗЗмк
6.3В
16 DI ТА8127
С45 4: *321 0.022мм
Z2 С38 4,000МГц 27 17 (—HOF
R35 D3 SAA1057
150 -------------
R23
SFE10.7MA5 510
CU. 0.022мк
С11-“ З.ЗмкГ 6.3В
С14
Юмк 6.38
Х68оо
С37 47мк 25В
С40 I----П
6800
С15 0.1 мк
16
0 72мк
R24 510
“2 С 22
Тб800
18
VT2 КТ361Г
VD5 КС ЮЗА
С42 0,022мк
С35 ^00 ,01мк
16
1N4728
С43 0.01мк
С44 1000
—IH-
VDI - VD4 - КВ109В(Г) HL1 - HL2 - АЛ307БМ HL1 • "настройка0
HL2 - "стерео"
S1 - "моно/стерео"
S2 - "запись"
S3 - "ппавно/фиксмр" S4-"-"
S5--+-
VT1 - КП303Б{В)
Рис. 4.1. Стереофонический тюнер с электронной настройкой. Схема
электрическая принципиальная
80
HL2I
Рис 4.2, б. Сборочный чертеж
Считаем, что вы успешно настроили приемник. Теперь необходимо собрать выходной ФНЧ на микросхеме D2. После сборки переключите УНЧ на выводы конденсаторов СЗЗ и С34, проверьте работу фильтра. Никакой настройки ФНЧ не требуется, и, если филь работает, о его существовании можно просто забыть.
Забудем на время о существовании радиоприемной части, приступим к отладке блока микроконтроллера. Сюда входят МК КР1878ВЕ1 (D4), регистр К561ИР2 (D5) и буквенно-цифровой ЖКИ DV-16100NRT/R (D6). К выводам порта А микроконтроллера подключены кнопки S2—S5, осуществляющие настройку тюнера, занесение в память настроек и переключение режимов. Для задания тактовой частоты используется керамический резонатор Z3 фирмы Murata. Его частота — 400 кГц.
Транзистор VT2 работает в цепи сброса МК. К линиям порта В подключен синтезатор частоты D3 и схема индикации. Чтобы использовать ЖКИ, автору пришлось ввести в схему регистр D5. Зачем ? Давайте подсчитаем. На управление синтезатором частоты уже израсходовано три линии порта В, следовательно, для индикатора остается 5 линий при необходимости иметь 11. Если даже мы не будем производить операцию чтения состояния ЖКИ, остается 10 линий. Все равно много! Сократить число линий можно только за счет увеличения времени вывода символа, когда в регистр D5 последовательно «набивается» 8-разрядный код (данные поступают на вывод D и стробируются импульсом по входу С). После окончания «набивки» на выходных выводах D5 «застревает» введенный код. Остается только указать ЖКИ, что это команда или данные, и провести стробирование уже по входу Е индикатора. Указанный способ позволил сократить число линий до четырех. Естественно, пришлось соответствующим образом разработать и программное обеспечение для МК.
Рис. 4.3. К отладке радиоприемной части
Резисторы R39 R45 — токоограничительные (защитные), резистор R46 устанавливает контрастность ЖКИ. Программа МК учитывает так называемый дребезг контактов S2—S5, когда происходит механически многократное замыкание-размыкание контактов кнопок Обычно дребезг выражается в автоповторе нажатия, хотя оно производилось один раз. В защищенном режиме выполнение операции происходит после 0 5 секунды нажатия кнопок. Убедиться в работоспособности антидребезговой системы вы можете, быстро нажав и отпустив любую кнопку. Состояние МК не должно измениться.
Теперь можно установить на плату микросхемы D4 и D5, подключить индикатор D6. Рекомендуется устанавливать МК на контактную панельку Текст рабочей программы МК приведен в приложении, там же приведены сведения относительно ее структуры и принципа работы. Откомпилируйте программу с помощью среды Tessa, «прошейте» ее с помощью программа ора в память МК Одновременно необходимо также «прошить» память данных, в которой содержатся настройки и некоторая служебная информация (табл 4.1). Значения настроек можно будет изменить в дальнейшем, но для проверки лучше не оставлять их ячейки пустыми.
Таблица 4.1. Прошивка памяти данных (в десятичном коде)
35 35 35 35 35 39 39 39
39 40 40 40 40 40 40 41
41 41 41 41 220 4 0 0
5S 50 100 150 190 66 106 156
216 0 40 100 160 200 240 134
6 54 100 120 54 42 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
Установите МК в панельку на плате тюнера и включите питание. При необходимости отрегулируйте контрастность индикатора резистором R46. На дисплее должна появиться надпись, изображенная на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Изображение на индикаторе после включения питания
Кнопками «+» и «—» попробуйте переместиться вверх и вниз от установленной частоты. Частота при этом должна измениться так: если кнопку не отпускать, то вначале будет произведен отсчет 10 раз по 10 кГц, потом 10 раз по 100 кГц и затем — по 1 МГц. Если кнопку отпустить и вновь нажать, цикл будет повторен. Нажмите кнопку «запись» (на время не менее 0,5 с), потом снимите с платы питание и вновь подайте его через секунду. На индикаторе появится значение частоты, которое было на индикаторе в момент нажатия кнопки «запись».
Нажмите кнопку «плавно/фиксир.» - на индикаторе появится надпись, показанная на рис 4.5. Кнопками «+» и «—» переключитесь на другие фиксированные настройки, а на индикаторе, в позициях, отображаемых между символами «>» и «<», будет появляться номер фиксированной настройки. Помните, что тюнер хранит не более 19 фиксированных настроек и одну плавную, появляющуюся при включении. Нажмите и отпустите кнопку «запись» — на месте установленной настройки появится та, которая в данный момент была установлена в плавном режиме (но не та, которая устанавливается при включении тюнера).
Рис. 4.5. Изображение на индикаторе в режиме «фиксированный»
Попробуйте несколько раз переключиться из фиксированного режима в плавный и обратно — значения установленной частоты в режиме «плавно», а также номера (и частоты) настройки в режиме «фиксированный» должны оставаться прежними. Занесение в память фиксированных настроек осуществляется по следующему алгоритму: вначале производится настройка на желаемую частоту в плавном режиме, затем включается режим «фиксированный», устанавливается номер настройки и нажимается кнопка «запись». После отпускания кнопки «запись» настройка автоматически обновляется.
Настал самый ответственный момент — подключение синтезатора частоты D3 Установите контактную панель, распаяйте элементы навески, потом установите в панель микросхему синтезатора. Резонатор Z2 — кварцевый на частоту 4 МГц. Для нормальной работы синтезатора необходимо, чтобы напряжение UMB£ было хотя бы на 1 В выше напряжения питания, иначе при приеме «верхних» радиостанций возможно самовозбуждение петли ФАПЧ. Автор подал на синтезатор напряжение 12 В, причем изготовил блок питания по следующей схеме: основную часть запитал от интегрального стабилизатора КР142ЕН5А, а напряжение UHaCTp получил, использовав стабилитрон с балластным сопротивлением, включив эту цепь на входе интегрального стабилизатора. Трансформатор БП рассчитан на напряжение 15 В
Все! Можно производить окончательную настройку приемника. Но прежде чем включить питание, заключите часть платы, показанную на рис. 4.2, б штрихпунктирной линией, с двух сторон в медный экран Не забудьте также оставить отверстия для регулировки контуров и ГУН стереодекодера. Точно зная частоту настройки какой-либо радиостанции (частоты обычно объявляют в эфире), настройтесь на нее с помощью кнопок «+» и «—» в плавном режиме и подстройте приемник по известной методике. Если вам это не удалось (станция не принимается уверенно, без хрипов и призвуков), кнопками настройтесь в положение, при котором качество сигнала будет максимальным, определите поправку:
где Fcm — точная частота вещания станции;
Fp — частота приема, считанная с индикатора.
Например, если Fcm = 10480, a Fp = 10490, значение А = 10 (ошибка 100 кГц).
Добавьте или вычтите ошибку из значения ПЧ, «зашитое» в соответствующих ячейках ЭСППЗУ (см. приложение), переведя полученную цифру в двоичный код, и «перепрошейте» его в ЭСППЗУ. Зачем нужна эта операция? Дело в том, что пьезокерамический ФПЧ имеет небольшой технологический разброс параметров, и эту разницу приходится корректировать.
Выход НЧ
VD1 VD4 КВ 109В (Г) НИ. HL2 - АЛ307БМ НИ 'настройка"
HL2 - "стерео
S1 моно/стерео"
S2 - "запись"
S3 "ллгвмо/фиксир"
S4
S5-"+"
VT1 - КПЗОЗВ(Г)
VT2 - КТ381Б(Г)
Z1.Z2 SFE10.7
С2-4.7МК, 6,3 В С16. С17-0,022мк С19 - 0,022мк
> С32 “100мк
16В
С34 0 022мм
78L09
ЗЭОмкГн
0.022мм D7 78L05
С31 0 022мм
L4 СЭ6 330м«Гн 0,022м*
СЗЗЮОм* -----------
16В
0,022мм
-Ь С39
X 0.022мм
-I- С38
10.022Ж
87,5
Собственно, тюнер готов. Изготовьте самостоятельно или подберите готовый корпус, закрепите в нем плату приемника и блок питания, выведите на лицевую панель органы подачи питания, настройки, индикации. Цель достигнута.
Второй вариант стереофонического тюнера с синтезатором частоты приведен на рис. 4.6. Подробных пояснений относительно принципов работы, рекомендаций по сборке и настройке эта схема не требует, так как содержит уже знакомые читателю узлы. Радиоприемный тракт построен здесь на микросхеме CXA1538S Исключен выходной НЧ фильтр, вместо него на освободившемся месте размещен довольно сложный блок питания, построенный на основе малогабаритных интегральных стабилизаторов D6—D8. Такая система питания появилась не случайно. Как показала практика, питать цифровую и аналоговую части тюнера от одного источника нежелательно: прослушиваются помехи, наводимые на вход приеменка по общим цепям питания. В предыдущей конструкции от помех избавиться удалось только с помощью установки блокировочных конденсаторов С48 и С49 в непосредственной близости от выводов питания микроконтроллера и радиоприемника. Развязка по питанию с использованием индуктивных элементов вместе с экранированием радиоприемной части намного более эффективны. По программному обеспечению эта конструкция полностью совместима с предыдущим тюнером.
Автор надеется, что вам было интересно познакомиться с технологией создания радиолюбительского тюнера. Когда писалась эта книга, попутно возникало желание рассказать о новом стандарте «общения» МК с периферийными устройствами — шине 12С, придуманной фирмой «Филипс», о синтезаторах частоты на ее основе, о программируемых аудиопроцессорах и эквалайзерах. Представьте, например, что вам необходимо каждый раз подстраивать тембр звучания по той или иной фонограмме, что раньше выполнялось частенько. Сегодня можно занести настройки в память МК и вызывать их нажатием одной кнопки, например, последовательно перебирая настройки «джаз», «поп», «рок» и т. д. Рассказать хотелось о многом другом, но это уже тема для новых книг.
Приложение.
Описание программного обеспечения стереотюнера
Программа состоит из головной части и нескольких подпрограмм, которые вызываются из головной части или из других подпрограмм по мере надобности. Оперативная память МК использует несколько сегментов, два из которых (основной рабочий сегмент — 40h; сегмент работы с портами и таймером — 00h) фиксированные, а остальные (сегмент преобразования двоичного числа в десятичное и записи в ЭСППЗУ — 48h; сегмент вывода в порт синтезатора — 50h; сегмент конфигурации портов — 1811; сегмент работы с ЭСППЗУ данных — 38h; сегмент кнопок — 58h; сегмент вывода на индикаторную панель — 60h) переключаются программно.
В начале происходит конфигурирование портов, установка типа 8 выводов, настройка прерываний. Небольшая задержка (0,5 с) дается на момент установки питания и вход в рабочий режим всех микро-I схем. Задержка выполняется подпрограммой itimer. Затем осуществ-I лястся извлечение из ЭСППЗУ слова конфигурации синтезатора. Не-I обходимо отметить, что память ЭСППЗУ содержит только 8-разряд-ные ячейки, в то время как синтезатор работает с 16-разрядпыми I данными. Поэтому для хранения одного слова в ЭСППЗУ испольЗу-I ются две ячейки, причем старшие байты хранятся в ячейках 0—21, а I младшие — в ячейках, начинающихся с адреса 18h. Запись и считы-I ванис происходит так: вначале считывается старший байт, потом к 1 его адресу добавляется 18h и считывается младший байт.
Распределение ЭСППЗУ по ячейкам следующее: в ячейке 0 хра-I нится старший байт частоты, которая устанавливается при подаче I питания на схему; в ячейках 1—19 содержатся старшие байты час-I тот фиксированных настроек; в ячейке 20 — старший байт конфигурации синтезатора частоты; в ячейке 21 — старший байт значения ПЧ.
Далее происходит конфигурирование синтезатора, вывод часто-I ты из нулевой ячейки, вывод на индикатор необходимой ипформа-I ции (подпрограмма led). Затем программа входит в бесконечный цикл, в течение которого идет опрос состояния порта А (ожидания I нажатия клавиш), периодическое обновление информации на инди
каторной панели При нажатии соответствующей клавиши осуществ ляется вывод в синтезатор и на панель ЖКИ. Особенность вывода частоты в синтезатор состоит в том что, поскольку гетеродин приемника работает на частоте, отличающейся от частоты приема на 10,7 МГц, при выводе необходимо вычитать это значение из зиаче ния истинной частоты настройки
Значения частоты, содержащиеся в ячейках %А1 и °0А2, пред ставляют собой двоичный код, который преобразуется перед вы водом на панель ЖКИ в пять десятичных цифр подпрограммой dsat Необходимые для вывода в синтезатор и ЖКИ интервалы между управляющими импульсами формируются интервальным таймером
jmp start nop jmp start jmp i_timer nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop
jmp i_spzu
start:
начальный пуск
;сторожевой таймер
;переполнение стека команд или данных
.интервальный таймер
прерывание от порта А прерывание от порта В
завершение записи в ЭСПЗУ
точка начала программы
распределение неперемещаемой памяти:
А: 406 основной рабочий регистр
D:00h регистр работы с портами и таймером
распределение перемещаемой памяти:
В: 486 преобразования 2х частоты PLL в 10х, буфер ЭСППЗУ
С:186 конфигурирование портов
С: 386 управление ЭСППЗУ
С: 506 вывод в порт PLL
Idr ва,406 установка неперемешаемых сегментов
Idr nd,006
movl %c1,00011011b movl «cl. 00000000b movl %C1,00000000b movl %c1,00000000b movl %C1,00000000b movl *c1,00000000b movl %c2.00011011b movl *c2,11111111b movl %c2.11111111b movl %c2,00000000b movl %c2.00000000b movl %c2,00000000b movl %a2,01100001b movl %a3,10101000b jsr timer
Idr ,#с.18h ; установка адреса сегмента конфигурации портов А и В
автоинкремент конфигурации порта А тип вывода вход отключение р-канального транзистора отключение нагрузочного резистора запрещение прерывания от положительного фронта запрещение прерывания от отрицательного фронта автоинкремент конфигурации порта В тип вывода выход включение р-канального транзистора выключение нагрузочного резистора запрещение прерывания от положительного фронта запрещение прерывания от отрицательного фронта старший байт интервала таймера 0,5 с младший байт интервала таймера 0,5 с задержка 0,5 с
;======= извлечение из ЭСППЗУ слова конфигурации ==== movl %а6,14Ь .адрес ЭСППЗУ 14h - слово конфигурации jsr rd_spzu ;вызов процедуры чтения ЭСППЗУ
;======= конфигурирование PLL ============ movl Ma4,00h ;вместо старшего байта ПЧ - нули
movl %a5.00h ;вместо старшего байта ПЧ - нули
jsr port_pll ;вызов процедуры вывода в порт PLL
;======= извлечение из ЭСППЗУ промежуточной частоты 15b movl %а6,15h jsr rd_spzu ;
mov %a4 %a0 ;пересылка старшего байта ПЧ
mov 96а5,%а1 ; пересылка младшего байта ПЧ
;======= вывод в порт настройки ff ====
movl %а0.01111111b '.необходимо для запуска PLL movl %а1,11111111b jsr port_pll
;======= извлечение из ЭСППЗУ "плавной" настройки 00h movl %a6,00h ;
jsr rd_spzu ;
;======= вывод в порт PLL "плавной” настройки 00h-==
jsr port_pll ;
jsr buf_spzu ;пересылка настройки в буфер ЭСППЗУ
movl %a7,00h .вывод в "байт режима" флага 00h плавной настройки ;======= вывод на индикаторную панель ===== jsr led
;=== задание первоначального номера плавной настройки push #с Idr #c,68h movl %c0,01h
pop Ис
Idr Bb,58h .—===== блок плавных настроек ====
plavno: jsr delay.lcd addl %a7 Oih jnc lc_0i jsr led lc_01: 1 ;— обработка нажатия кнопки "+"
movl %b1,00000001b jsr compar ;литера проверки разряда '0"
jnz metka_0l ; переход к проверке нажатия следующей КНОПКИ
jsr delay_kn jsr compar jnz metka_01 ;задержка 0,5 с
jsr kn_incp вызов обработчика кнопки
metka_0V ;— обработка нажатия кнопки
movl Xb1,00000010b jsr compar .литера проверки разряда "1"
]nz metka_02 .переход к проверке нажатия следующей кнопки
jsr delay_kn jsr compar jnz metka_02 задержка 0,5 с
jsr kn_decp вызов обработчика кнопки
metka_02 ,— обработка нажатия кнопки "запись"
movl %M, 00001000b jsr compar ;литера проверки разряда "4"
jnz metka_03 ;переход к проверке нажатия следующей кнопки
jsr delay_kn jsr compar jnz metka_03 ; задержка 0,5 с
jsr wr_spzu :вызов обработчика кнопки
metka_03'
.— обработка нажатия кнопки фиксир" movl ХМ,000001006 ;литера проверки разряда "1"
jsr compar
jnz metka_04 :переход к проверке нажатия следующей кнопки
jsr delay_kn .задержка 0,5 с
jsr compar
jnz metka_04
jsr kn_fiks .вызов обработчика кнопки
jmp fiksir
metka_04:
jmp plavno
;======= блок фиксированных настроек ==== fiksir:
jsr delay_lcd
addl %a7,0lh
jnc lc_02
jsr led lc_02:
;— обработка нажатия кнопки "+"
movl %M, 00000001b литера проверки разряда "0”
jsr compar
jnz metka_05 переход к проверке нажатия следующей кнопки
jsr delay_kn ;задержка 0,5 с
jsr compar
jnz metka_05
jsr kn_incf ;вызов обработчика кнопки
metka_05: ;
обработка нажатия кнопки
movl %Ы, ООООООЮЬ ; литера проверки разряда Г jsr compar
jnz metka_06 переход к проверке нажатия следующей кнопки
jsr delay_kn задержка 0,5 с
jsr compar
jnz metka_06
jsr kn_decf ;вызов обработчика кнопки
metka_06:
;— обработка нажатия кнопки "запись"
movl %Ы,ООООЮООЬ литера проверки разряда "4"
jsr compar
jnz metka_07 переход к проверке нажатия следующей кнопки
jsr delay.kn ;задержка 0,5 с
jsr compar
jnz metka_07
jsr kn_zap_f i; вызов обработчика кнопки
metka_07:
обработка нажатия кнопки "плавно'
movl %Ы,00000100b ;литера проверки разряда "1" jsr compar jnz metka_08 ;переход к проверке нажатия следующей кнопки jsr delay_kn .задержка 0,5 с jsr compar jnz metka_08 jsr kn_plavno вызов обработчика кнопки jmp plavno metka_08:
jmp fiksir
sip
;======= процедура проверки нажатия кнопки compar:
mov %bO.%d1 ;пересылка данных из порта А
and %Ь0,%Ы ; сброс разрядов, кроме "О"
cmpl %Ь0 00b rts
;==== процедура задержки повт. проверки нажатия кнопки delay_kn:
movl %а2.01100001b ;старший байт интервала таймера 0,5 с
movl %аЗ,10101000b .младший байт интервала таймера 0,5 с
jsr timer ;задержка 0,5 с
rts
;======= процедура нажатия кнопки “+ плавный" kn_incp:
movl %b2,00h
movl №6 00101010b ; старшая частота (максимальная)
movl %Ь7,10010100b ;младшая частота (максимальная) metka_10l:
cmpl 9№2,09h
jnc metka_102
addl %al,01h adc %a0 addl %b2.01h jmp metka_104 metka_102.
cmpl %b2,I3h
jnc metka_103
addl Xal.Oah adc %a0 addl %b2,01h jmp metka_104 metka_103.
movl %b3 64h add %a1%b3 adc %a0 metka_104:
mov %b4,%a0
mov %b5,%al
sub %b5.%b7 sbc %b4 sub %b4 96b6 jc metka_l05 movl %a0,00101010b ;старшая частота (максимальная) movl %a1,10010100b ;младшая частота (максимальная) movl %b2,0ah
metka_105:
jsr port_pll
jsr led
======= индикатор =:
jsr delay_kn
jsr compar
jz metka_101
jsr buf_spzu
rts
======= процедура нажатия кнопки 'плавный''
kn_decp:
movl %b2,00h
movl №6, ООЮООЮЬ старшая частота (минимальная)
movl %b7,11110110b .младшая частота (минимальная)
metka_201
cmpl %b2,09ti
jnc metka_202
subl %a1,01h
sbc %a0
addl %b2.0ih
jmp metka_204
metka_202:
cmpl W>2 13h
jnc metka_203
subl ftal.Oafi
sbc %a0
addl %b2,0lh
jmp metka_204
metka_203
movl %b3,64h
sub %al,W)3
sbc %a0
metka_204:
mov %b4,%a0
mov %b5,%a1
sub %Ь5%Ь7
Sbc %b4
sub %b4.%b6
jnc metka_205
movl %a0,00100010b старшая частота (минимальная)
movl %a1,11110110b младшая частота (минимальная)
movl %b2,0ah
metka_205:
jsr port_pll
jsr led ;======= индикатор ======
jsr delay_kn jsr compar jz metka_201 jsr buf_spzu rts
:===== процедура нажатия кнопки 'запись” kn_zap_f:
jsr wr_spzu
jsr rd_spzu
jsr port_pH jsr led rts
;======= процедура нажатия кнопки ”+ фиксированный" kn_incf:
metka_303:
addl 96a6,O1h
cmpl %a6,14Р
jc metka_301
move %afi,13h
metka_30l:
jsr rd_spzu
jsr port_pll
jsr led ;индикатор
jsr delay_kn
jsr compar jz metka_303 rts
I ======= процедура нажатия кнопки фиксированный” kn_decf: metka_403:
subl %a6,0lh
cmpl %a6,01h
jnc metka_401
movl %a6,01h metka_40l:
jsr rd_spzu
jsr port_pll
jsr led ;индикатор
jsr delay_kn
jsr compar jz metka_403 rts
;======= процедура нажатия кнопки "фиксированные" kn_fiks:
push йс
Idr #c,68h
mov 9ба6,%сО pop йс jsr rd_spzu jsr port_pll jsr led rts
;======= процедура нажатия кнопки "плавный" kn_plavno:
push йЬ Idr ftb, 48h mov %aO,%bO mov %a1 %b1 pop ЙЬ jsr port_pll push йс Idr #c,68h mov %c0,%a6 pop йс movl %a6 OOh jsr led rts
;======= процедура вывода в порт PLL --== port_pll:
Idr йс,50Ь переключение на сегмент вывода в порт PLL
mov %с0 %а0 ;старший байт частоты PLL
mov %с1,%а1 ;младший байт частоты PLL
sub %с1.%а5 ;вычитание промежуточной частоты
sbe %с0 :
sub %с0,%а4
;вывод в порт PLL частоты настройки
movl %а2,00000000b ;старший байт интервала таймера 1 мс
movl %аЗ,00000011b ;младший байт интервала таймера 1 мс
movl %d2,00000000b ;вывод в порт нулевого значения
jsr timer ;вызов процедуры таймера
movl %d2,00000100b формирование leading zero jsr timer
movl 9И2,00000110b jsr timer movl %d2,00000100b jsr timer
mov %с5,%с0 ; пересылка старшего байта частоты в циклический байт
movl %c3.08ti
metka_001:
rlc %с5
установка счетчика цикла
;на место бита 0 - бит 7 из переноса (в первом выполнении)
movl %c2,00h
adc %с2
movl % 4,00000001b литера’сброса/установки разрядов
and %с2,%с4
movl %с4,00000100b
or %с2 %с4
mov %d2,%с2
jsr timer •
movl %c4,00000110b
or %c2,%c4
mov %d2,%c2
jsr timer
movl %c4,00000101b
and %c2 %c4
mov 96d2,%c2
jsr timer
subl %c3,0!h
cmpl %c3,00h
jnz metka_001 ; вывод, пока не будет выведено 8 значений
mov %с5,%с1 ;пересылка младшего байта частоты в циклический байт
movl %c3,08ti установка счетчика цикла
metka_002:
rlc %с5
,на место бита 0 - бит 7 из переноса (в первом выполнении)
movl %с2,00h
adc %с2
movl %с4,00000001b ;литера сброса/установки разрядов
and %с2,%с4
movl %с4,00000100b
or %с2,%с4
mov %d2,%c2
jsr timer
movl %c4,00000110b
or %c2,%c4
mov %d2,%c2
jsr timer
movl %c4 00000101b
and %c2,%c4
mov %d2,%c2
jsr timer
subl %c3,01h
cmpl %c3,00h
jnz metka_002
movl %d2,00000000b jsr timer
movl %d2,00000010b jsr timer
movl %d2 00000000b jsr timer
rts
вывод, пока не будет выведено 8 значений вывод импульса окончания байта
======= процедура таймера ====
timer: ;
movl %d4,00010000b ;обращение к регистру конфигурации
movl %d5.01001001b ;регистр конфигурации:
;коэффициент деления входной частоты 400 кГц - 1/4
movl %d4,00000100b mov %d5,%a2
movl %d4,00000000b mov %d5,%a3
movl 96d4,00000011b wait rts
i timer:
пересчет no фронту
размерность регистра интервала - 16 бит установка старшего байта интервала старший байт интервала
установка младшего байта интервала
младший байт интервала пуск таймера на счет
возврат из процедуры таймера
======= обработчик прерывания таймера
rti
rd_spzu:
Idr йс,38Ь
mov %с1,%а6
movl %с0,00000010b
пор пор mov %аО,56с7 addl %с1,18b movl 96сО. 00000010b пор пор mov %а1 %с7 rts
wr_spzu:
push йЬ
возврат из прерывания по таймеру
======= процедура чтения из ЭСППЗУ ====
процедура записи в ЭСППЗУ ==:
push йс
Idr йс,38h
Idr йЬ, 48h
mov %с1 %аб
mov %с7,%Ь0
movl %c0,00010001b
wait
addl %c1,l8h
mov %c7,%b1
movl %c0,00010001b
wait
pop #c
pop йЬ
jsr delay_kn
;seta:
jsr compar
jz reseta rts
spzu:
rti
f-spzu: ;=== процедура записи в буфер ЭСППЗУ ====
push йЬ
Idr #b,48h ;настройка сегмента
mov 5№0,%а0
mov %Ь1,%а1
pop йЬ ts ;возврат в сегмент кнопок
;======= процедура вывода в LCD
push йЬ
push йс
Idr #b,48h
Idr йс 60h
movl %c0,00000001b код сброса
jsr regist
jsr fik_ir
;вызов процедуры преобразования - затяжка сброса movl %с0,00000010b ;код возврата в 1-ю позицию jsr regist
jsr fik_ir
movl %c0,00001100b ,код включения дисплея
jsr regist
jsr fik_ir
movl %c0 00111000b код разрядности и стройности
jsr regist jsr fik_ir movl %c0,01000110b ;буква "F" jsr regist jsr fik.dr movl %c0,01101101b буква m" jsr regist jsr fik_dr mov %c0.%Ь2 .цифра '100,00"
swap %c0 movl %c2.00001111b and %c0,%c2 cmpl KcO.OOh jnz lcd_01 movl %c0,20h jmp lcd_02 led.01:
movl %c2,00110000b
or %c0,%c2 lcd_02:
jsr regist jsr fik_dr mov %c0.№2 .цифра "10.00"
movl %c2,00001111b
and %c0,%c2
movl %c2,00110000b or %c0 %c2 jsr regist jsr fik_dr
mov %сО,%ЬЗ шифра "1,00”
swap %c0
movl %c2,00001111b
and %c0,%c2
movl %c2.00110000b or %c0,%c2 jsr regist jsr fik_dr
movl %c0.00101110b ;буква
jsr regist jsr fik_dr mov %сО,%ЬЗ цифра “,10"
movl %c2,00001111b and %c0,%c2
movl %c2.00110000b or %c0,%c2 jsr regist
jsr fik_dr
mov %сО,%Ь4 ;цифра ",01”
swap %с0
movl %с2,00001111b
and %с0,%с2
movl %с2 00110000b
or %с0,%с2
jsr regist
jsr fik_dr
movl %c0 10101000b ; перевод в 40 знакоместо
jsr regist
jsr fik_ir
movl %c ,01001101b буква M"
jsr regist
jsr fik_dr
movl %c0,01001000b ;буква "H”
jsr regist
jsr fik_dr
movl %c0,01111010b ;буква “z”
jsr regist
jsr fik_dr
movl »c0,00111110b ;буква
jsr regist
jsr fik_dr
вывод номера фиксированной настройки cmpl %a6,00h
jz lcd_05
mov %cl,%a6
subl %c1,0ah
jz lcd_06
jc lcd_07
movl %c0 00110001b ;цифра ”1x”
jsr regist
jsr fik dr
mov %c0,%c1
movl %c2,00001111b цифра “Ox”
and %c0,%c2
movl %c2,00110000b
or %c0,%c2
jsr regist
jsr fik_dr
movl %c0 00111100b ;буква "<“
jsr regist
jsr fik_dr
movl %c0 10101010b буква "Ф
jsr regist
jsr fik_dr
jmp lcd_08
lcd_05:
movl %c0,20h
jsr regist jsr fik_dr jsr fik_dr movl %c0.00111100b ;буква "<" jsr regist
jsr fik_dr
movl %c0,10101000b .буква *Л" jsr regist jsr fik_dr jmp lcd_08
lcd_06:
movl %cO.00110001b ;буква "1" jsr regist jsr fik_dr
movl %cO,00110000b ;буква "0" jsr regist jsr fik_dr
movl %cO,00111100b .буква "<" jsr regist jsr fik_dr
movl %cO,10101010b ;буква "Ф" jsr regist jsr fik_dr jmp lcd_08
lcd_07:
movl %c0,20h .пусто jsr regist jsr fik_dr
mov %c0,%a6
movl %c2,00001111b шифра "x" and %c0,%c2
movl %c2,00110000b
or %c0.%c2 jsr regist jsr fik_dr movl %c0.00111100b буква "<" jsr regist jsr fik_dr
movl %c0,10101010b ;буква "®" jsr regist jsr fik_dr
lcd_08;
pop «с пор йЬ rts
dsat: ;======= процедура преобразования 2-х в 10-х
mov %с6 %а0
mov %c7,%al
movl %Ь5,00100111b
movl %b6,00010000b Jsr count movl %b2,00h or %b2,%b7 swap %b2
movl %b5,00000011b
movl %b6,11101000b jsr count or %b2, %b7 movl %b5 00000000b movl %b6,01100100b jsr count movl %b3,00h or 96b3,%b7 swap %b3
movl %b5,00000000b
movl %b6,00001010b jsr count or %b3,%b7
movl J4b5.00000000b
movl 5$b6, QOOOOOOlb jsr count movl %b4 OOh or %b4 %b7 swap %b4 rts
count: ;======= процедура обработки одного числа 10-х
movl %b7,00h
count_1:
cmp %c6.%b5
jc count_3
jnz count_2 cmp %c7,%b6 jc count_3 count_2:
addl %b7,01h
sub %с7.%Ь6
sbc %с6
sub %с6,%Ь5
jmp count_1
count_3: rts
regist: ;======= процедура "набивки" регистра LCD
mov %c5,%c0 movl %c3,08h
reg_Ol:
movl %c4,OOh rlc %c5 adc %c4 swap %c4 mov %d2,%c4 swap %c4 movl %c2.000000l0b or %c4,%c2 swap %c4 mov %d2,%c4 swap %c4
movl %c2,00000001b and %c4 %c2 swap %c4 mov %d2,%c4 subl %c3,01h cmpl %c3,00h jnz reg_01 rts
fik jr; ;======= фиксация в IR
movl %d2,00h nop nop
movl %d2,01000000b
nop nop movl %d2,00h nop nop rts
fik (jr- ;======= фиксация в DR
movl %d2,10000000b nop
пор
movl %d2.11000000b
nop
nop
movl %d2,10000000b
nop
nop
movl %d2 00000000b
nop
nop rts
delay.lcd: ;======== процедура задержки вывода на дисплей в цикле
movl %а2,00000000b ;старший байт интервала таймера 0,01 с movl %аЗ,11101000b ;младший байт интервала таймера 0,01 с jsr timer ; задержка 0,5 с
rts
.end
Список литературы
1. Поляков В. Т. Посвящение в радиоэлектронику М.: Радио и связь, 1988.
2. Дымович Н.Д., Фирсов А 3., Красюк Н. П. Радиоволны в ионосфере и ультракороткие волны. СЗПИ Л., 1966.
3. Фок В. А. Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности М.: Изд. АН СССР, 1946
4. Долуханов М. П Распространение радиоволн. Связь. 1965.
5. Дымович Н. Д. Ионосфера и ее исследование. Энергия. 1964.
6 Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. М.: Патриот, 1990.
7. Богданович Б М Ваксер Э Б Краткий радиотехнический справочник Минск, 1976.
8. Крылов Н. Н. Теоретические основы радиотехники. Л., 1961.
9. Захаров А. Кольцевой стереодекодер в УКВ-ЧМ приемниках //Радио//. 1987. №10
10 Повышение селективности УКВ приемника /Радио//. 1 №12
11. Семенов Б Простой УКВ приемник //Радио//. 1996. №10.
12. Белов И. Ф., Денин А. Е. и др. Переносные кассетные магнитолы. М Радио и связь, 1988.
13. Кононович Л Радиовещательный УКВ прием. М. Энергия, 1977.
14. Годинар К. Стереофоническое радиовещание: пер. с чеш. М. Энергия, 1974
15. Семенов Б Стереофонический ЧМ тюнер //Радио//. 1995 №5—6.
16. Захаров А. Стереодекодер с коррекцией частотных предыскажений //Радио//. 1990. №1.
17. Поляков В Стереофоническая система радиовещания с пилот-тоном //Радио//. 1992. №4
18 Прянишников В А Электроника: курс лекций СПб Корона-Принт, 1998.
19. Русин Ю. С., Гликман И. Я., Горский А Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1991
20. Бастанов В. Г 300 практических советов. М.: Моск, рабочий, 1986
21. TDA7021 Product specification Datasheet, Philips, 1983 (http://www.semiconductorsphilips.com).
22 KP174XA34AM ОАО «Ангстрем», (http://www.angstrem.ru)
23 TDA7010t Product specification. Datasheet, Philips, 1983
24 Portable and home hi-fi/radio designer s guide, Philips, june 1996
25 TDA7050 Product specification Datasheet Philips, 1994.
26 TDA7088t Product specification. Datasheet, Philips, 1996
27. Грудинин А. О заметности искажений. Stereo&Video 1996. №10.
28 Истратов A. FM против УКВ //(http://rnath.msu.su/~guzei/radio/ joumaVfin_ukv.htm).
29. Toshiba bipolar linear integrated circuit TA8164P silicon monolitic. Toshiba corp, 1996.
30. Бондарев В., Рукавишников А Применение микросхемы К174ПСI //Радио//. 1989. №2
31 TDA7227 Single-chip AM/FM radio with front-end.
SGS-Thomson microelectronics 1992.
32 Степанников Д Philips: яркая спираль истории //Салон AV 1999 №9
33 ТЕА5710 AM/FM radio receiver circuit Product specification, Datasheet Philips, 1994.
34 Справочник Стандарты Hi-Fi. Audio expert group (http://www.component.ru)
35 Под шорох шин с верной подругой //(http://cars.whatodo.ru).
36. Миловидов Н„ Тимофеев В. Пуста квартира без эфира Тест FM тюнеров. «Салон AV» 2000
37 TDA7222A 3V AM/FM one-chip radio. Advance data, febrary 1995, SGS-Thomson microelectronics.
38 TA8127N 3V AM/FM one chip tuner ic Technical data, Toshiba corporation, 1994 3-8
39 LAI816 Single Chip AM/FM MPX Tuner system for headphone stereos Radio cassette recorders, Sanyo 2659
40 ТЕА5711 AM/FM stereo radio circuit. Product specification. Philips, september 1994.
41. ILA1238NS АМ/ЧМ стереоприемник. Datasheet НПО «Интеграл» Минск.
42 Максимов И Одринский А Цифровой стереоприемник 88—108 МГц: Сервер кубанских радиолюбителей.
43. Шихатов А. И Автомобильные магнитолы /Радио/. 1999. №4—8.
44 Радиоприемник ЕС710к: Схема электрическая принципиаль ная //(http://www.chipinfo ru).
45. Чепульский С. Стереодекодер в радиоприемнике ИШИМ-003-1 //Радиолюбитель. 1994. №12
46. Бирюков С. Микросхема К174ХАЗ 51/Радио//. 1996 №4.
47 Хиопин Н. Стереофонический УКВ-ЧМ приемник //Радио//. 1998 №11.
48 Интегральные схемы КР174ХА51 — двухстандартный сте-реодеродер ОАО «Ангстрем»
49. Toshiba bipolar linear integrated circuit TA7343AP FM PLL MPX Toshiba corporation, 1996-4-22
50. Low voltage PLL stereo decoder TDA7040T Product specification, Datasheet. Philips Semiconductors, September 1986
51 PLL stereo decoder and noise blanker TDA1591 Product specification, datasheet. Philips Semiconductors, September 1996
52 Марше Ж Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия 1974.
53. Мелешко И Приемник сигналов RDS //Радио//. 1999. №7—8.
54 Мелешко И RDS структура сигнала //Радио//. 2000 №10.
55 Сервис в эфире читай, выбирай, слушай Клаксон. №2.2000 г
56. Radio Data System (RDS) demodulator SAA6579. Product specification, datasheet Philips Semiconductors, 1997 feb 24
57. Введение в основы системы GPS «Mapping system: general reference Trimble Navigation Limited», 1996. //(http://www agp.ru).
58 Русак A GPS-чипсет or STMicroelectronics 7(http://chipnewscom.ua).
59. Бродин В Б., Шагурин И И Микроконтроллеры архитектура, программирование, интерфейс. М Эком, 1999.
60 Техническое описание микроконтроллеров фирмы Atmel. КТЦ-МК (http://www.cec-mc ru)
61. Система команд 8-разрядных RISC микроконтроллеров семейства AVR КТЦ-МК.
62. Kim Р. PIC micro Microcontroller Oscillator Design Guide Microchip, AN588, 1997.
63. Алытиуллер Г Б. и др. Кварцевые генераторы: Справ, пос М. Радио и связь, 1984.
64 Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998.
65. SAA1057 radio tuning PLL frequency synthesizer. Product specification. Philips 1996 sept. 2.
66. БЭК: Жидкокристаллические индикаторы фирмы Data International. M.: Додэка, 1999.
67 AZ displays inc. Specification for liquid crystal display. ACM1601C, august 9, 1999.
68. Кривченко T. Сопряжение AVR микроконтроллеров и ЖКИ //(http://www.atmel.ru).
Содержание
К читателю.................................................3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Основные принципы УКВ радиовещания..................6
1.1. Распространение ультракоротких волн.............. 6
1.2. Виды модуляции....................................10
1.3. Структура радиовещательного приемника и его параметры.......................................20
1.4. Немного о частотно-селективных цепях.............36
1.5. Стереофоническое радиовещание....................55
Стереодекодер с полярным детектором...............69
1.6. Детектирование сигналов и система ФАПЧ...........88
Приложение. Некоторые сведения, необходимые радиолюбителю при расчете катушек индуктивности......107
А. Бескаркасная однослойная ВЧ катушка..........107
Б Многослойная катушка без сердечника............112
В. Катушка на цилиндрическом ферритовом сердечнике . .114
Г. Броневые катушки с зазорами .................116
Д. Катушки в экранах и с немагнитными сердечниками ... 117
ЧАСТЬ ВТОРАЯ Практические конструкции.................................119
2.1. Ваш первый радиоприемник .......................119
2.2. Супергетеродинный УКВ приемник........... . . 137
2 3 Супергетеродинный стереофонический УКВ приемник . . 163
2.4. Стереодекодеры на все вкусы.................... 202
2.5. Немного о выходном сигнале стереодекодера.......232
Заключение.................................... ... 235
Приложение. Немного об RDS и GPS.....................236
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
Осваиваем микроконтроллер...................................250
Предисловие.............................................250
3.1. Мини-обзор микроконтроллеров.................. ... 255
3.2. КР1878ВЕ1 — доступный отечественный МК.............262
Структура и принцип работы..........................263
Организация памяти и работа с ней...................269
Область служебных данных................’...........275
3.3. О тактовом' генераторе и цепи сброса...............279
3.4. Инструментальные средства отладки и программирования . 285
3.5. Цифровой синтезатор частоты........................299
3.6. «Чтобы прозреть». Буквенно-цифровые ЖКИ............308
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ Создаем цифровой стереотюнер...........................315
Приложение. Описание программного обеспечения стереотюнера.......................................329
Список литературы......................................347
ООО Издательство «СОЛОН-Р» ЛР № 066584 от 14.05.99
Москва, ул. Тверская, д. 10, стр. 1, ком. 522
Формат 60x88/16. Объем 22 п. л Тираж 8000
ООО «ПАНДОРА-1 >
Москва, Открытое ш.. 28 Заказ № 19 О