MB15 Осцилатор

Осцилаторът е възел номер едно в много електронни устройства. Този работи с достъпни дискретни елементи и ясен принцип. Идеята на разработката е да се ползва в радио приемници и предаватели, но е възможно и друго приложение, където се изисква стабилна честота. Поначало стабилизирането на честота над 50 мегахерца вече е технологичен проблем. Решението е PLL.

Въведение
По рано правих опити с чип на Фуджицу-MB1504. Той не е лош, но разглеждания тук е малко по-късен модел и с по-висока честота. Както разбрах, този вид чипове имат доста версии, произвеждани от няколко известни фирми. Те варират слабо по подреждането на изводите и електрическите характеристики и са близки по функция и използване. Тук е описано решение с MB15E03SL на Cypress. Чипът поддържа (според документа) до 1.1 GHZ. Идеята на схемата и платката по-долу е да влязат в този диапазон. Обаче посочените тук стойности на елементи са за 440 MHZ.

Устройство
Управлението става чрез малък микроконтролер - 8 извода. По-долу е надписан като PIC 12F629. Честотният регулатор иска четири извода за свърване - три за данни (SCL,SDA,LE) и един за включване (PS). На микроконтролера остават още два свободни пина - те се ползват за управление отвън по I2C.

Ето схемата:


Зелената област е VCO. Синята област е честотния регулатор - с фуджицу чипа, червената област - нискочестотен филтър. Транзисторът T2 е буферно стъпало за отделяне на товара, а транзисторът T3 е свързан към индикаторен извод за заключен фазов цикъл (PLL Lock Detector). Лампичката D2 светва при близки фази на поръчаната и изходната честота .
Кристалът Q1 се свързва към крачета 1 и 2. На схемата са означени два Q1 и Q11, за да може да се ползват два вида - SMD плочка, или обикновен (заоблен корпус).
Входът и управляващият изход са крачета 8 и 5.
Генераторът (зелената област) е триточков с ATF-транзистор. Теоретично това позволява до 1.2GHZ управляема честота. Пускал съм тази схема до 1.1 GHZ (без управление). Не съм пробвал всичко, защото целта ми в този случай е 440 MHZ. Иначе идеята и платката позволяват и други честоти между 100 и 1100 MHZ. VCO има два управляващи елемента: P1 и C2. С тях се настройва спектъра за работната честота. Ако устройството ще работи на повече от една, е добре да настроим тези два елемента така, че да покриват всички необходими честоти. Практически това не винаги е възможно. Но веднъж пробвах успешно поредица от няколко съседни канала.
Кондензаторите означени със звездичка - C21, C22, C11 са спомагателни (обикновено не се слагат, но ако се наложи са) за уточнение на честотата.
Пътеката от изхода (краче 5 на IC2) до варикапа е филтър (червената област), който трябва да изглади управляващото напрежение. На схемата филтриращите елементите са CF1, RF1, CF2, RF2, RF3, CF3.

Вход и изход
На рейката има предвиден вход-надписан като In на схемата. Сигналът-резултат е изведен с надпис Out.
Ако модулът е в радиопредавател, то на входа се очаква модулиращ нискочестотен сигнал. Затова входния кондензатор Cin трябва да е по-голям, както и резистора RIn. В този случай последователно на Rin (преди входа) трябва да има резистор поне 1k. Ако модулът работи като приемник, то на входа се подава радио честота. Тогава на изхода ползваме разликата вход минус осцилатор = звук или друга информация. Затова пренасящите кондензатори преди и след транзистора T2, тоест Ctr1 и COut трябва да са по-големи.

Филтър
Филтриращите елементи са сериозна грижа, защото от тях зависи както спектъра на произведения сигнал, така и изобщо работоспособността на устройството. Тези елементи зависят от честотата. Посочените тук може и да не са най-добрите. Фуджицу имат два-три опита за процедура по изчисляването им. Най-общо този филтър трябва да осигури плавна промяна на управляващото напрежение, което иначе излиза на остри пулсове от крачето D0 на чипа. Но е илюзия да мислим че това можда да се превърне в гладка линия. Ако прекалим с изглаждането, обратната връзка спира да работи. От нея зависи колко пъргаво ще реагира устройството при старта и при смущения. Пак от филтъра зависи колко лесно ще постигнем добър спектър на изходния сигнал. От същия филтър се определя дали ще е успешно смесването в режим на модулация / демодулация - ако разликата при смесването излезе извън регулираната област, то PLL механизма ще я елиминира. Според моя опит компромисният случай е добра генерацията и модулация, без демодулация. Ако искаме и демодулиращи възможности, това ще струва леко изкривен спектър и по-слаб нискочестотен сигнал.

Платка
Платката е 4х4 см. В първата версия имаше място за външно усилване на управляващото напрежение (англ. external charge pump). После се оказа, че това е излишен участък, затова го премахнах и скъсих размера. Отначало я правих на CNC, после Георги ми направи една по-добра, Ето снимки:
 
Разположението на елементите е близко до схемата от по-горе (защото първо съм рисувал платката, после схемата). Червеният правоъгълен елемент по средата на платката е тример-кондензатора C2. Малко по-долу, към лявата стена е потенциометъра P1. Колемият черен чип долу вдясно е MCU. Регулаторният MB-чип е над него, корпус SSOP16. Зеленият светодиод долу вдясно е D2 от схемата. Микроконтролерът е по-голям елемент, на цолъл - той трябва да се премахва и поставя лесно, за да бъде програмиран.

Оживяване
За да виждаме сигнал е нужен приемник и спектрален анализатор. Аз имам един евтин китайски DVBT-SDR приемник, който показва сигнала по отличен начин. Когато нямя включена регулация, сигналът е честотно нестабилен (може да плава наляво-надясно) и трябва да е с много добра форма. Картинката е следната:

Трябва да имаме предвид, че по-късно включеният MB-чип няма да подобри спектъра. Ако ще се борим със шумове, моментът е сега, преди да е задействуван PLL. Има смисъл да настроим честотата малко по-долу (в някои случаи по-горе) от желаната, за да осигурим на PLL-механизма склон - поле за работа.
Но
Даже ако нищо не е сбъркано при платката и монтажа, това устройство няма да тръгне от самосебе си.
Работата е в това, че осцилатор от горния тип работи само в област 10-20 процента около основната честота. А условията за сработване на PLL-цикъла са точно определени и трябва да ги улучим. Затова:
Първо:
В началото трябва да направим само осцилатора (без нищо от останалите елементи) и да се убедим, че е работоспособен. Осцилаторът има два настройваши елемента - потенциометър P1 и тример - кондензатор C2. Първо тези двата, при средно положение, трябва да произведат нещо около желаната честота. После като променяме само единият от тях, трябва да се убедим, че и двата моат да варират честотата плюс/минус стотина мегахерца. При мен това стана (с малка дупка от 10-тина процента в долния ляв ъгъл). В този случай - без включен регулатор, спектърът ще е почти идеален, както е показано на снимката по-горе.
Второ:
Когато включим регулацията, сигналът ще изчезне. В случай на голям късмет, ще се настани точно на поръчаната от микроконтролера честота и ще бъде силно деформиран - ше наподобява шумно плато, или гребен от близки пикове на разстояние един канал.
Ето как може да изглежда:


За да получим правилна форма (една тясна камбанка) трябва да използваме P1 и C2. Тези двата определят съотношението на общата и излъчената енергия в трептящия кръг и ако то е нарушено, генерация няма да има, или ще е с разпилян спектър.
В началото това плато ще се стеснява и ще придобие вид на гребен от близки (на един канал разстояние) честоти:


Ако резонансната (тоест каналната) честота е под 15 килохерца (при мен е 10.7KHZ - препоръчително трябва да е видима), то в звуковия участък - долу вдясно на снимката - тя трябва да се вижда като ясен висок пик. Правилният сигнал изглежда така:


Ако включим SDR-говорителя, трябва да чуем съскането на тези 10-15 килохерца и възможно лек брум от PLL-цикъла, който трябва да е на ниска честота - между 200 и 500 херца при мен.
При добър подбор на филтъра, LD-лампичката трябва да светва не много трудно. Но LD-индикацията не е достатъчна, а в някои случаи не е и нужна. Правилната работа се оценява по крайния резултат, а междинно можем да гледаме спектъра.
Настройката зависи от включения товар и има смисъл едва в крайната апликация, преди това е само ориентировъчна.

Радостин Желязков, 03.08.2018

roncho.net - начална страница