gkch

Промышленность серийно выпускает относительно недорогие осцилографы, предназначенные специально для радиолюбителей, такие, как Н-313, ОМЛ-76-2. Осцилограф Н-313 имеет полосу пропускания от постоянного тока до 1 МГц и чувствительность 1 мВ на деление. У осцилографа ОМЛ-76-2 чувствительность на порядок меньше, 10 мВ на деление, но полоса пропускания у него заметно шире - до 5 МГц. Оба прибора имеют калиброванную по длительности развертку, внешнюю и внутреннюю синхронизацию.

С этими осцилографами можно наладить практически любые радиолюбительские конструкции. Если радиолюбитель занимается конструированием приемной или передающей аппаратуры, то естественным спутником осцилографа будет генератор качающейся частоты ГКЧ.

Это, конечно, не прибор первой необходимости (авометр, простейшие генераторы сигналов), без которого невозможна настройка даже простых радиолюбительских конструкций. Но именно ГКЧ позволяет существенно упростить и ускорить налаживание аппаратуры. Более того, в ряде случаев, например при настройке фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) или кварцевых фильтров (КФ), без ГКЧ практически невозможно получить удовлетворительные результаты.

Описываемый здесь ГКЧ, предложенный Б. Степановым, рассчитан на совместную работу с любым осцилографом, имеющим выход пилообразного напряжения от генератора развертки. Осцилографы, не имеющие такого выхода, нетрудно, как это будет показано далее на примере осцилографа Н313, модернизировать, чтобы была возможна их эксплуатация с описываемым ГКЧ.

ГКЧ (рис.1) состоит из собственно генератора высокой частоты, который собран на транзисторе V1, и эмиттерного повторителя на транзисторе V2. Генератор ВЧ выполнен по схеме с общей базой. Его рабочая частота определяется не только индуктивностью катушки L1 и емкостью конденсаторов C2-C4, но и выходной проводимостью транзистора V1, которая имеет емкостной характер.

Рис. 1. Принципиальная схема ГКЧ

Среднюю частоту ГКЧ устанавливают конденсатором переменной емкости C4 "Средняя частота", а для частотной модуляции сигнала использована зависимость выходной проводимости транзистора генератора от тока коллектора. Именно поэтому в данном ГКЧ отсутствуют специальные элементы, которые вводят для осуществления частотной модуляции (варикапы, "реактивные" транзисторы и т.п.).

Каждый, кому приходилось конструировать аппаратуру на транзисторах, знает о влиянии режима их работы на характеристики каскадов, содержащих колебательные контуры (генераторы, резонансные усилители высокой частоты). Это влияние в первую очередь вызвано зависимостью емкости коллекторного p-n перехода от напряжения, приложенного к этому переходу, или от протекающего через него тока. Иногда влияние режима работы транзистора на характеристики соответствующего каскада устранить нетрудно: достаточно ввести стабилизацию по цепям питания данного каскада. В тех случаях когда изменения режима работы транзистора используется для каких-либо регулировок (например, в системе АРУ), такую стабилизацию вводить уже нельзя, для устранения этого влияния приходится прибегать к специальным мерам.

Ну, а что будет, если изменять режим работы транзистора, например генератора ВЧ, контролируемым образом? Это можно сделать, регулируя напряжение смещения на базе транзистора генератора. Очевидно, что частота генерации будет изменяться, но поскольку эти изменения определяются уже не случайными факторами (разряд батареи питания и т.п.), то получается управляемый напряжением генератор. Именно такой генератор использован в описываемом ГКЧ.

Зависимость емкости коллекторного р-n перехода Скб от тока коллектора Iк при фиксированном значении напряжения между коллектором и базой можно приближенно представить в виде:

Величина n зависит в основном от технологии, по которой изготовлен транзистор. Для маломощных транзисторов значения n могут лежать в пределах 2-3. Из приведенной формулы видно, что емкость перехода коллектор-база возрастает с увеличением тока коллектора. Модулирующий сигнал - пилообразное напряжение от генератора развертки осцилографа - поступает в цепь базы транзистора V1 через разъем Х1. Амплитуду этого напряжения и, следовательно, величину девиации выходного сигнала ГКЧ можно регулировать переменным резистором R2 "Девиация".

На транзисторе V2 выполнен эмиттерный повторитель, позволяющий исключить влияние нагрузки на частоту генерируемых колебаний. Напряжение смещения на базу транзистора V2 подается из эмиттерной цепи транзистора V1 через резистор R6. Этим резистором устанавливают максимальную амплитуду выходного сигнала ГКЧ. На выходной разъем X2 высокочастотное напряжение поступает через переменный резистор R9, которым регулируют амплитуду выходного сигнала ГКЧ.

Питают генератор качающейся частоты от источника напряжением 9 В (две батареи 3336Л). Среднюю частоту ГКЧ можно изменять в пределах 450-510 кГц. Максимальная девиация частоты выходного сигнала 50 кГц. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики выходного сигнала генератора не превышает:

0,8 дБ - при девиации 12 кГц
1,1 дБ - при девиации 25 кГц
2 дБ - при девиации 50 кГц.

Максимальная амплитуда выходного напряжения ГКЧ не менее 0,2 В на нагрузке 75 Ом. Ее можно регулировать плавно и ступенями (с помощью выносного делителя уменьшить в 10, 100 и 1000 раз).

Генератор качающейся частоты смонтирован в корпусе размерами 150х100х100 мм, изготовленном из дюралюминия. Большая часть деталей ГКЧ размещена на печатной плате. Эта плата и схема соединений показаны на рис.2. Печатная плата разработана под следующие детали: Резисторы - МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25. Конденсатор С5 типа К50-6. Конденсаторы С2, С6 и С7 типа МБМ или БМ-1. Конденсатор С3 типа КСО-2. Резисторы R2 и R9 типа СПО-0,5 или СП3-4а. Конденсатор C4 - подстроечный конденсатор с воздушным диэлектриком КПВ-100 с удлиненной осью.

*Рис. 2. Печатная плата*

В ГКЧ применена катушка индуктивности (L1) фильтра-пробки на частоту 465 кГц от приемника "ВЭФ-12". Здесь можно использовать любые катушки индуктивности (самодельные или от транзисторных и ламповых радиоприемников), резонирующие на частоте 465 кГц при емкости конденсатора в контуре 200-300 пФ.

Размеры корпуса ГКЧ позволяют применить широко распостраненные сдвоенные конденсаторы переменной емкости с воздушным диэлектриком максимальной емкостью 240-390 пФ (от малогабаритных транзисторных приемников). В этом случае используется только одна секция, последовательно с которой включают конденсатор емкостью 150-200 пФ. Высокочастотные разъемы X1 и X2 - СР-50-75Ф или унифицированные ВЧ разъемы от телевизоров. Выключатель питания S1 - любого типа.

Особо следует сказать о замене транзисторов V1 и V2. В ГКЧ можно применить практически любые транзисторы серии МП39-МП42. При использовании транзисторов других типов следует отдавать предпочтение транзисторам, граничная частота генерации которых незначительно (не более чем в 3-5 раз) превышает рабочую частоту ГКЧ.

Емкость коллекторного перехода у более высокочастотных транзисторов будет маленькой, следовательно, будет незначительным и ее влияние на рабочую частоту генератора. С такими транзисторами нельзя получить в ГКЧ значительную девиацию частоты.

Заметим сразу, что для нормальной работы ГКЧ, выполненного на транзисторах структуры p-n-p, на него от генератора развертки надо подавать возрастающее пилообразное напряжение. Только в этом случае картина на экране осцилографа будет иметь естественный вид - частота увеличивается при движении луча слева направо. Действительно так, с ростом напряжения коллекторный ток транзистора будет убывать - положительное напряжение, поступающее на базу транзистора структуры p-n-p, закрывает его. Это приводит к уменьшению емкости перехода Скб (см. приведенную ранее формулу) и, следовательно, к повышению генерируемой частоты.

Соответственно для ГКЧ на транзисторах структуры n-p-n надо подавать с генератора развертки падающее пилообразное напряжение. Следует учесть, что именно такое напряжение выведено в осцилографе С1-19, поэтому, если ГКЧ предназначен для работы именно с ним, прибор следует выполнить на транзисторах структуры n-p-n типа МП37, МП38, изменив при этом полярность включения электролитического конденсатора и источника питания.

Прежде чем перейти к описанию налаживания ГКЧ и работы с ним, необходимо сделать несколько замечаний об использовании осцилографа как регистрирующего устройства при совместной его эксплуатации с ГКЧ. Большинство современных осцилографов (в том числе и упоминавшиеся в начале статьи осцилографы Н313, ОМЛ-76-2) имеют полосу пропускания канала вертикального отклонения луча свыше 500 кГц - максимальной выходной частоты ГКЧ. Вот почему измерительную установку можно существенно упростить, отказавшись от применяемых в таких приборах детекторной головки и специального устройства формирования меток. Работа без детекторной головки имеет ряд преимуществ.

Во-первых, заметно возрастает чувствительность прибора, так как измерять осцилографом можно амплитуду сигнала от единиц милливольт. Для детекторных головок такие малые уровни, по существу недоступны. Да и при больших уровнях прямая регистрация сигнала осцилографом выгоднее, так как коэффициент передачи детектора всегда меньше единицы. Все это расширяет возможности прибора, позволяя, в частности, наблюдать без дополнительных усилителей характеристики фильтров, имеющие большие затухания.

Во-вторых, при прямой регистрации легко отсчитывать амплитуды сигналов, используя линейную сетку на экране осцилографа и его аттенюаторы. Это далеко не всегда возможно при использовании детектора, поскольку его коэффициент передачи зависит, как известно, от уровня входного сигнала.

Входная емкость осцилографа и емкость соединительных проводов могут достигать в сумме сотни пФ. При измерениях в резонансных цепях, когда осцилограф необходимо подключать непосредственно к колебательному контуру, это может существенным образом повлиять на результаты. В подобных случаях осцилограф следует подключать к исследуемым цепям через конденсатор емкостью 10-20 пФ. При этом чувствительность прибора снижается в 3-10 раз, но все же остается достаточной для большинства измерений.

Для формирования частотной метки на экране осцилографа подходит метод, основанный на характерных картинках, которые возникают при сложении двух колебаний с близкими частотами. Результирующее колебание напоминает в этом случае осцилограмму амплитудно-модулированного сигнала, изображенную на рис.3а (строго говоря, оно соответствует амплитудно-модулированному сигналу с подавленной несущей). Подобный результат следует из хорошо известной по учебникам тригонометрии формулы для сложения синусов двух углов, которую для двух колебаний с частотами f1 и f2 можно записать в виде:

Низшая ("модулирующая") частота определяется полуразностью исходных частот генераторов. Следовательно, если одна из частот изменяется во времени, то будет изменяться и "модулирующая" частота. Картинка в этом случае приобретает вид, показанный на рис.3б. Здесь точка А соответствует моменту, когда частоты обоих колебаний равны. На самом деле результат сложения двух колебаний зависит еще и от их начальных фаз, что не учитывалось в простейшей формуле. Вот почему реальная осцилограмма сложения сигналов двух генераторов (ГКЧ и фиксированной частотой) может выглядеть, как на рис.3в. Может она иметь и любой другой вид, промежуточный между этими двумя предельными вариантами (рис.3г).

Рис. 3. Виды осцилограмм

Более того, в реальных устройствах начальная фаза колебаний ГКЧ обычно изменяется от одного цикла качания к другому, поэтому осцилограмма как бы "переливается" между двумя приведенными выше предельными вариантами (например рис.3г). Зрительно это воспринимается, будто колебания "сбегаются" к точке А или "разбегаются" от нее.

Однако во всех случаях картинка остается симметричной относительно этой точки, поэтому точка А (т.е. точка, соответствующая моменту совпадения частот двух генераторов) определяется всегда однозначно. Это и позволяет использовать ее как частотную метку на экране осцилографа, не прибегая к каким-либо дополнительным формирующим устройствам.

Теперь, когда известно, как получить частотную метку на экране осцилографа, можно переходить к налаживанию ГКЧ.

Налаживание ГКЧ и работа с ним

Первоначально при небольшой девиации (движок резистора R2 ближе к нижнему по схеме выводу резистора) подстроечником катушки L1 устанавливают требуемый диапазон частот. Если он окажется меньше необходимого, то следует либо установить конденсатор C3 меньшей емкости, либо применить переменный конденсатор C4 с большим перекрытием по емкости.

Максимальную девиацию устанавливают подбором резистора R1 (ротор конденсатора должен быть при этом в среднем положении, а движок резистора R2 - в верхнем по схеме положении). Для того чтобы частотная метка фиксировалась при настройке ГКЧ четко, амплитуды сигнала ГКЧ и вспомагательного генератора, по которому калибруют ГКЧ (Г4-1, Г4-18А и т.д.), должны быть примерно равны.

Номинал резистора R1 может существенно отличаться от указанного на рис.1 в зависимости от выходного напряжения генератора развертки осцилографа, с которым используется ГКЧ. Приведенное на схеме значение сопротивления этого резистора соответствует амплитуде пилообразного напряжения около 80 В. От емкости конденсатора C1 и, естественно, сопротивления резистора R1 зависит нижняя граница частоты качания.

При указанных на схеме номиналах этих элементов она составляет примерно 20 Гц. Если при подборе максимальной девиации придется устанавливать резистор R1 с меньшим значением, то для сохранения той же нижней границы частоты качания следует пропорционально увеличивать емкость конденсатора C1. На последнем этапе налаживания подбором резистора R6 устанавливают требуемое значение амплитуды выходного сигнала.

Как уже отмечалось, этот ГКЧ можно использовать и с осцилографами, у которых нет выхода пилообразного напряжения с генератора рaзвертки. Но для этого такие осцилографы надо несколько доработать.

Чтобы исключить влияние проводов, соединяющих ГКЧ с осцилографом, на работу последнего в обычном режиме, исключить возможность повреждения его выходного каскада, целесообразно резистор R1 и конденсатор C1 перенести непосредственно в осцилограф. В осцилографе Н313, например, конденсатор C1 (МБМ) или аналогичный ему на рабочее напряжение не менее 160 В) устанавливают на небольшой монтажной стойке (рис.4) вблизи транзисторов выходного каскада усилителя горизонтального отклонения луча.

Рис. 4. Размещение конденсатора в осцилографе Н313

Для крепления этой стойки можно использовать один из винтов, крепящих плату развертки к корпусу осцилографа. Корпус конденсатора желательно покрыть изолирующим материалом (липкой лентой или просто бумагой), чтобы конденсатор своим корпусом случайно не замкнул контакты монтажной стойки.

Один из выводов этого конденсатора соединяют с разъемом (его устанавливают на задней стенке осцилографа), а другой - через резистор R1 с одним из выходов двухтактного усилителя горизонтально отклонения луча. К какому из выходов следует подключить ГКЧ, определяется, как отмечалось, структурой транзисторов ГКЧ.

При исследовании конкретных устройств (фильтров, УПЧ и т.д.) сигнал для формирования частотной метки на экране осцилографа подают от кварцевого генератора или ГСС. Они обязательно должны иметь плавную регулировку амплитуды выходного сигнала. Этот сигнал подают на вход осцилографа через развязывающий резистор сопротивлением не менее 100 кОм или конденсатор емкостью не более 10-20 пФ.

Амплитуду сигнала ГСС подбирают экспериментально, увеличивая ее до тех пор, пока метка не станет четко выраженной (рис.3д). Приемлемая точность отсчета получается, если амплитуда метки будет 2-4 мм. Очевидно, что чем больше размер экрана осцилографа, тем больше будет изображение полезного сигнала и тем меньше будут видны искажение осцилограммы из-за метки.

Поскольку изображение амплитудно-частотной характеристики симметрично относительно горизонтальной оси, то для увеличения точности отсчета амплитуды и частоты целесообразно сместить изображение так, чтобы "нулевая линия" (ось симметрии) пришлась на нижнюю границу сетки на экране осцилографа (рис.3д).

Выход ГКЧ имеет непосредственную (гальваническую) связь с общим проводом, поэтому сигнал на исследуемый каскад можно подавать только через разделительный конденсатор емкостью не менее чем 2000-3000 пФ. Иногда возникает необходимость подать сигнал непосредственно (не через катушку связи, согласующий каскад и т.п.) на параллельный резонансный контур. В этом случае емкость конденсатора должна быть маленькой - по крайней мере, раз в 20 меньше, чем емкость конденсатора, входящего в колебательный контур. Иначе этот контур будет зашунтирован малым выходным сопротивлением генератора.

При проведении измерений в УПЧ важно постоянно проверять, не перегружено ли исследуемое устройство. Дело в том, что из-за избирательных свойств резонансных контуров сигнал на выходе при перегрузках близок к синусоидальному. Перегрузка проявляется лишь в кажущемся "расширении" полосы пропускания усилителя и в "уменьшении" ее неравномерности. Именно поэтому в процессе работы с ГКЧ следует всегда подбирать такой уровень выходного сигнала ГКЧ, чтобы сохранялась линейная связь между ним и выходным сигналом исследуемого устройства. Такой контроль надо проводить постоянно в процессе налаживания усилителя.

Проиллюстрируем работу с ГКЧ на примере оптимизации нагрузочного сопротивления пьезокерамического фильтра ФП1П-011. Схема измерений приведена на рис.5.

Рис. 5. Схема измерений при оптимизации нагрузочного сопротивления пьезокерамического фильтра

С генератора качающейся частоты G1 сигнал через согласующий резистор R1 поступает на исследуемый фильтр Z1. Этот фильтр нагружен на переменный резистор R2. Сигнал с фильтра через разделительный конденсатор С1 поступает на вход осцилографа U1, куда подается также (через разделительный конденсатор C2) сигнал от ГСС. Входное сопротивление фильтра (по паспортным данным) 2 кОм. Именно таким выбрано и сопротивление резистора R1, поскольку выходное сопротивление ГКЧ (его надо учитывать при согласовании фильтров) существенно меньше этой величины и составляет примерно 50 Ом.

На рис.6 приведены АЧХ фильтра, снятые при трех различных нагрузочных сопротивлениях. Кривая 1 соответствует случаю, когда R2=1 кОм (паспортное значение выходного сопротивления фильтра), кривая 2 - 10 кОм, а кривая 3 - 100 кОм. Цифры, приведенные возле этих кривых, обозначают полосу пропускания фильтра по уровню 0,7. Сравнение этих трех кривых показывает, что, хотя при R1=1 кОм он полностью соответствует техническим условиям, увеличение сопротивления этого резистора улучшило не только форму АЧХ, но и заметно уменьшило потери в полосе пропускания.

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики фильтра	Рис. 7. Схема логарифмического усилителя

Линейная амплитудная характеристика канала вертикального отклонения осцилографа не всегда удобна на практике. Если тракт вертикального отклонения обладает малой перегрузочной способностью (т.е. изображение нельзя выводить за пределы экрана по вертикали), то реальны наблюдения АЧХ фильтров лишь на уровне -20-30 дБ, что во многих случаях недостаточно. Выходом из положения может быть введение в измерительную установку на входе осцилографа логарифмического усилителя (рис.7).

Он представляет собой обычный широкополосный усилитель на транзисторе V3 с логарифмирующей диодной цепочкой в цепи отрицательной обратной связи (диоды V1 и V2). Это устройство обеспечивает практически логарифмическую зависимость амплитуды выходного сигнала при изменении амплитуды входного сигнала в пределах 3-3000 мВ. Диапазон рабочих частот усилителя простирается от 30 кГц до 1 МГц.

Подбирая усиление канала вертикального отклонения осцилографа, можно откалибровать его сетку непосредственно в децибеллах. Входное сопротивление логарифмического усилителя составляет примерно 1 кОм, поэтому на его входе целесообразно установить эмиттерный или истоковый повторитель. Сигнал с ГСС в измерительной установке с таким усилителем следует подавать на вход осцилографа, а не на вход усилителя.

Заменив катушку L1 (рис.1) и пропорционально уменьшив емкость конденсаторов C2 и C3, рабочую частоту ГКЧ можно повысить до 3-7 МГц (это во многом зависит от параметров конкретного экземпляра транзистора, использованного в качестве V1). В общем случае, применив рассмотренный метод управления частотой, при использовании соответствующих транзисторов возможна реализация генераторов качающейся частоты на самые различные частоты, вплоть до СВЧ.

Внешний вид конструкции ГКЧ приведен на фото в начале статьи.

Б. Степанов. "Радиоежегодник" 1983 год