Радиостанция на основе TDA7021 и TDA7000. Часть 2.

Автор: __
Опубликовано 29.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

Прежде чем перейти к схеме передатчика на кварце, имеет смысл разобраться, что же это за такая штука кварц. Точнее в нашем случае говорить «кварцевый резонатор» но т.к. основа кварцевого резонатора является кварц, то кварцевый резонатор кратко так и называют.

Кварц – это минерал, причем один из самых распространённых минералов в земной коре. Кристаллы кварца также часто выращивают искусственно. Этот минерал обладает свойством пьезоэффекта, т.е. если его деформировать, то на его гранях получается разность электрических потенциалов, а если на него подавать разность потенциалов, то он деформируется.

Все остальные подробности мы опускаем, т.к. в противном случае мы до схем не доберемся.

Понятно лучше взять хорошую книжку по данному вопросу и почитать, но обычно такие книжки довольно сложны для понимания начинающим радиолюбителям. Если же кто то захочет почитать, то у нас в «сундуке» есть хорошая книжка по данному вопросу.

Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. «Кварцевые генераторы»

https://sunduk.radiokot.ru/loadfile/?load_id=1287024447

Здесь же попробуем на самом низком уровне рассмотреть только общие понятия о кварцах и кварцевых генераторах, что бы было понятно, почему в какой то конкретной схеме применили именно эту схему, а не какую то другую и можно ли в данном конкретном случае применить другую схему.

Я тут сам конечно ничего не придумывал, а просто пользуюсь тем, что напечатано в книжках, но при этом все схемы, что выкладываю здесь, проверены мной на практике.

Понятно, что здесь в статье будет много упрощений, но как писал выше, кто хочет узнать более подробно, то читайте книжку, ссылку на которую приведена выше, мы же будем считать, что кварцевый резонатор это радиоэлемент и нам интересны его свойства.

Дальше, для упрощения так и будем называть «кварц»

Эквивалентная схема кварца выглядит так.

По сути это колебательный контур, но особенность в том, что этот контур имеет очень стабильные параметры и большую добротность. Это главная особенность кварца и применяют его именно в тех случаях, когда требуются высокие требования к стабильности частоты.

Кстати кварцы применяются не только в кварцевых генераторах, а и например в фильтрах или в датчиках и т.д. но мы эти вопросы здесь затрагивать не будем.

Ск, Lк и Rк – это собственно параметры самой кварцевой пластинки, а Сс – это так называемая статическая емкость кварца. Часто её называют емкость «кварцедержателя» что более понятно поясняет, что это такое, хотя и не особо точно. Эта емкость в реальных кварцах лежит в пределах единиц пикофарад.

Емкость Ск в сотни раз меньше статической емкости Сс.

Если внимательнее посмотреть на эквивалентную схему кварца, то видим, что эта схема имеет два резонанса. Один резонанс, это резонанс последовательного колебательного контура образованным элементами Ск, Lк и Rк. На этой резонансной частоте сопротивление кварца очень маленькое и кстати намного меньше, чем сопротивление конденсатора Сс на данной частоте.

Второй резонанс, это параллельный. Это сразу в глаза бросается когда смотрим на эквивалентную схему. В данном случае в параллельный колебательный контур входит также и статическая емкость Сс. Понятно, что частота параллельного резонанса чуть больше, чем последовательного, т.к. в данном случае общая емкость в контуре это последовательное соединение двух емкостей Ск и Сс, а при последовательном соединении общая емкость уменьшается.

Т.о. амплитудно-частотная характеристика(АЧХ) упрощенно выглядит так.

Промежуток между частотами последовательного резонанса и параллельного обычно от сотен герц, до единиц килогерц и зависит от величины статической емкости Сс.

Хорошо это или плохо, увидим дальше, но это еще не все. Дело в том, что мы рассмотрели основную частоту кварца, а реально кварц имеет такие же резонансы и на нечетных гармониках кварца. Т.е. например кварц с основной частотой 1 МГц имеет такую же характеристику на частоте примерно в три, в пять, семь раза и т.д. больше, но на этих частотах величина этих «всплесков» уменьшается пропорционально величине гармонике

Я на картинке написал «примерно» т.к. к сожалению, если например, имеем кварц на основную гармонику 10 МГц, то его третья гармоника не будет ровно в три раза больше, т.е. 30 мгц. Она будет отличаться от этой цифры на сотни герц – единицы килогерц. Это часто создает дополнительные трудности при проектировании схем.

Более полная эквивалентная схема кварца с учетом его третьей гармоники выглядит так.

Теперь еще об одной тонкости встречающейся на практике, это так называемые гармониковые кварцы. На практике с этим тоже часто возникают недоразумения при изготовлении каких либо схем. Дело в том, что обычно кварцы на частоты больше 20 мгц являются гармониковые, хотя это не всегда, но чаще так.

Т.е. купив кварц на котором написано 27 МГц окажется, что 27 мгц это его третья гармоника, а основная его гармоника 9 МГц, но у подобных кварцев добиваются, что АЧХ его в районе третьей гармонике выглядела так.

Т.е. как то там делают, что бы эти максимумы АЧХ  на третьей гармонике были больше, чем у не гармоникового кварца на 9 мгц. Но все равно, если этот кварц на котором написано 27 мгц поставленный в схему генератора по осциляторной схеме, он будет генерировать частоту около 9 мгц, т.е. возбудится на своей основной гармонике. 

Что бы такой кварц к примеру на 27 МГц завелся на третьей гармонике все равно придется применять дополнительные меры. Просто такой кварц более легче заводится на гармонике, чем просто например обычный кварц на 9 МГц.

Как уже говорил, существуют и не гармониковые кварцы на 27 мгц и часто на практике нам нужно это определить. Для этого удобна схема, что приведена выше, т.е. собрав её и удостоверившись, что генерация происходит на частоте 9 мгц, делаем вывод, что кварц гармониковый. Если в данной схеме испытуемый кварц запускается на частоте 27 мгц, значит он не гармониковый. Иногда не гармониковый кварц на 27 МГц в данной схеме вообще не запускается. В этом случае нужно поставить конденсаторы С1 и С2 порядка 30 пф.

Проверить частоту можно осциллографом или частотомером. При этом не забывать, что измерительные приборы вносят в схему реактивности, обычно емкости, что может нарушить работу схемы.

Если приборов нет, что можно определить частоту генерации с помощью приемника. Частоту генерации 9 мгц можно поймать с помощью КВ приемника.

Что бы удостовериться, что генератор генерирует на частоте 27 мгц можно воспользоваться УКВ приемником. При этом можно поймать третью гармонику данного генератора на частоте 27*3=81 мгц и четвертую на частоте 27*4=108 мгц, т.е. гармоники располагаются не через 9 мгц, а через 27 мгц, что однозначно говорит о частоте генерации 27 мгц.

При этом не забывать, что у приемников есть и паразитные каналы приема, что в какой то мере усложняет пользование этим способом определения частоты генерации.

Выводы из всего написанного выше.

Если мы взяли кварц на котором написано 27 мгц, то его основная частота может быть как 27 мгц, так и примерно в три раза меньше и для того, что бы он генерировал именно на частоте 27 мгц нужны специальные схемные ухищрения и тогда частота генерации будет та, что на нем написано.

Если мы запустим гармониковый кварц на его основной частоте, а потом поставим умножитель на три, то частота генерации будет не совсем такая, что написано на нем. Она может отличаться, хотя и немного, но иногда это существенно.

И третье, что не очень для нас хорошо, т.к. мы хотим сделать передатчик ЧМ на кварце это то, что сделать ЧМ модуляцию в кварцевом генераторе можно только если кварц в схеме работает на основной гармонике. Это видно из эквивалентной схемы кварца, что выкладывал выше. При возбуждении кварца на механической гармонике получить существенную ЧМ невозможно.

Пока это примем как данное и оставим объяснения на потом, но вот такая «печалька» в кварцами.

Теперь рассмотрим разные схемы кварцевых генератором и посмотрим, чем они отличаются.

 Теперь перейдем конкретно к схемам кварцевых генераторов.

 Как выше писал, кварц имеет два резонанса, последовательный и параллельный. Обычно на самом кварце пишут частоту его последовательного резонанса.

Определить на каком резонансе работает кварц в какой либо схеме довольно просто. Для этого нужно мысленно заменить его в схеме катушкой или конденсатором и вот чем он заменяется можно и определить на каком резонансе он работает. Если он в схеме заменяется катушкой, значит он работает на параллельном резонансе. Если его можно заменить конденсатором, значит он возбуждается вблизи последовательного резонанса.

Для начала посмотрим схемы в которых кварц работает на основной гармонике на частоте вблизи его параллельного резонанса.

 Схема генератора Пирса.

Номиналы не писал, т.к. подобный генератор в данном случае не применял.

Конденсаторы С1 и С3 блокировочные, а конденсаторы С2 и С4 зависят от кварца. Что бы лучше был виден принцип работы, схему можно нарисовать в другом виде.

Как видим, что в данной схеме кварц можно заменить катушкой и схема останется работоспособной. 

Как выше писал это признак того, что в данной схеме кварц работает вблизи своего параллельного резонанса.

Генератор Пирса на кварце часто делают также на логических элементах. Для этого логический элемент с помощью резистора ставят в активный режим, т.е. вместо транзистора ставят просто логический элемент переведя его в активный режим(в режим усиления)

Вместо резистора R2 можно поставить колебательный контур настроенный или на основную частоту. При этом с генератора можно снять довольно мощный сигнал или, что более для нас интересно на частоту механической гармоники кварца, т.е. на частоту в три или в пять(семь) раз больше основной частоты кварца. Обычно на частотах выше третьей гармоники схема заводится только после «плясок с бубном»

Еще один генератор в котором кварц работает вблизи параллельного резонанса.

Данная схема широко применяется для создания кварцевых генераторов с ЧМ.  Дело в том, что для того, что бы получить ЧМ в кварцевом генераторе, он должен работать на основной частоте резонанса. При работе кварца на гармонике сдвинуть его очень трудно. В данной схеме в цепь коллектора тоже можно поставить колебательный контур, но при этом кварц как и в исходной схеме все равно возбуждается на основной гармонике, а контур просто выделяет гармонику основной частоты кварца. Т.е. в данном случае мы можем выделить и четные гармоники кварца.

Это значит мы во первых можем в данной осуществить частотную модуляцию, а во вторых выделять не только нечетные гармоники, а в том числе и четные, но об этом дальше.

Генератор Колпитца.

Видим, что в данной схеме кварц можно заменить на конденсатор, а это значит, что кварц возбуждается вблизи своего последовательного резонанса.

Кварц может возбуждаться как на основной гармонике, так и на нечетных гармониках кварца. Это зависит от того, на какую частоту у нас настроен колебательный контур L1, С1, С2, С3. Если контур в данной схеме настроен на основную частоту кварца, то в этой схеме можно сделать ЧМ.

Есть еще несколько видов кварцевых генераторов, но в дальнейшем они нам не понадобятся, поэтому здесь писать про них не буду, кроме одной. Есть проверенная схема кварцевого генератора без катушек в которой кварц можно возбудить на третьей гармонике. В Интернете есть несколько разновидностей подобных схем, но на практике они работают неустойчиво в отличии от этой схемы. Настройка на нужную гармонику производится подбором конденсатора С5.

Т.к. в дальнейшем она у нас будет использоваться, то здесь я приведу её описание. Точнее просто выложу скан из статьи.

 Статья опубликована в ж. Радиолюбитель 8-2000 год. Я эту схему применял в гетеродине простого АМ приемника на 27 МГц с минимумом катушек.

Теперь перейдем к получению ЧМ в кварцевом генераторе, в том числе и получение широкополосной ЧМ.

Вперед к Части 3.

Все вопросы в Форум.