Bu yazıda mükemmel bir sentezlenmiş (PLL) FM ve VHF vericisini anlatıyoruz. Makale, işbirlikçimiz Nelson Sedenho Junior'a ait olup, stereo yayınlar için multipleks devresini de içermektedir. Bu devrenin en büyük avantajı PLL devresi ile sentezlenmesinden dolayı frekans kararlılığının yüksek olmasıdır.
VHF'de olduğu gibi, frekansı modüle edilmiş yüksek frekanslar için bir radyo vericisi tasarlamaya çalıştığımızda, istenen frekansa ulaşmak için sonunda tek bir kuvars osilatörüne ve ardından çarpanlara ihtiyaç duyulması gibi bazı sorunlarla karşılaşırız; ayrıca, kristalin ürettiği osilatörde, onu tanımlayan yüksek kararlılık ve salınım hassasiyeti nedeniyle, bu özellik açısından çok dar bir şekilde üretilen kristalin ürettiğinde makul bir sapma vardır.
2 metreden daha uzak mesafelerdeki iletişimlerde bu pek sorun teşkil etmiyor, çünkü %100 modülasyona ulaşmak için gereken sapma sadece 5 kHz; Ancak, yine de, tek bir osilatör, frekansı yayılacak olanın tam bir böleni olan bir kuvars kristali kullanırsak (örneğin, RF amplifikatör aşamaları tarafından 10 ile çarpıldığında istenen son frekans olan 145 MHz'i veren 14,5 MHz gibi), "ardından" frekans çarpanları "kullanırsak", iki sakınca ortaya çıkar: birincisi: ekipman, bir aşama ile diğeri arasında, mükemmel bir Q faktörüne sahip eliptik "çentikli" bant kesimli filtrelere (Cauer'in LC'si gibi) ihtiyaç duyar, böylece osilatör tarafından üretilen ara harmonik frekanslar (ve temel frekansın kendisi) antene ulaşmaz ve elektromanyetik spektrumda muazzam bir girişim yaratma cezasına çarptırılır; İkincisi: Üretilen frekansın, emisyon için istenen frekansa ulaşılana kadar çarpılması gerektiğinden, bunu yapan RF amplifikatörleri, osilatörün temel frekansında rezonansa girmiş olsalardı üreteceklerinden çok daha düşük çıkış genlikleri sağlarlar ve bu da sadece onun ürettiği sinyali yoğunlaştırır. Dahası, bu şekilde yapılmış "basit" bir radyo modülatörü, radyo amatörünün tek bir yayılan frekansı, kuvars kristali tarafından üretilenin bir katını (veya osilatöre bağlı bir seçici anahtarla birden fazla kristal kullanılması durumunda sadece birkaç tane daha fazlasını) kullanmasını da "kısıtlar"; ayrıca, kuvars kristali, tanımı gereği, rezonansına göre büyük frekans değişimlerine izin vermediğinden (bu, varikap, kapasitör ve seri bağlı bobinin onu dengesizleştirmediği veya salınımını engellemediği zamandır!) yayılan sesin güçlü bozulmasından bahsetmeye bile gerek yok.
Ancak, bizim "şansımıza" göre, teknoloji son yıllarda gelişti ve dijital elektroniğin ortaya çıkmasıyla birlikte, telekomünikasyonlar, kuvars hassasiyeti ve kararlılığıyla yüksek VHF, µHF veya hatta SHF sinyallerinin doğrudan üretilmesi ve tek bir RF verici ve/veya alıcı ekipmanında, nispeten az sayıda bileşenle çok geniş bir frekans aralığı üretme olanağı açısından kalitede büyük bir sıçrama yaşadı. Ve bu teknolojik "harikalardan" biri de "faz kilitli döngü" (veya "mesh") sisteminin veya İngilizce'de PLL'nin (faz kilitli döngü) icadıydı; ve geliştirdiğim proje bu teknolojiyi kullanıyor, ancak şu anda DSP entegre devreleri, PIC mikrodenetleyicileri, EPROM mantığı veya hatta örneğin MC 1 45151 veya 145152 gibi özel Motorola devrelerine dayanan daha gelişmiş devreler mevcut, ancak bunlar montajcı için daha pahalı. Ama şimdi sunduğum bu ürün, basit ve ucuz olmasının yanı sıra şu gibi harika özelliklere de sahip:
- Programlanabilir mantık bölücünün “n” faktörünü BCD'de değiştirerek (ve gerekirse, PLL tarafından senkronize edilemiyorsa, VCO'nun L ve/veya C değerini değiştirerek) 120 MHz'e kadar (“ön ölçekleyicinin” “çalışabileceği” maksimum frekans) birden fazla VHF frekansını doğrudan üretme olanağı;
- Mağazalarda veya internette kolayca bulunabilen yaygın entegre devrelerin kullanılması nedeniyle çok düşük maliyetlidir;
- Yüksek modülasyon doğrusallığına ve çok düşük taşıyıcı gürültüsüne sahip, voltaj kontrollü serbest osilatöre (İngilizce: VCO) sahip olmak;
- Yazılım ve mikrobilgisayar aracılığıyla herhangi bir harici programlama yapmaya gerek yoktur (PIC, DSP ve/veya EPROM içeren projelerde olduğu gibi);
- Faz karşılaştırıcısının (veya dedektörünün) çıkışı ile VCO'nun girişi arasına mükemmel bir alçak geçiren filtre kullanın, bu filtre, varaktör diyotlarında, düdükler, uğultular, dengesizlikler veya frekansını gereksiz yere modüle eden gürültüler olmadan, sıfır Hz'e çok yakın temiz bir CAF (veya İngilizce'de "AFC") almasını sağlar; böyle bir AFC, yalnızca VCO frekans hatasına orantılı olarak DC gerilim genliğinde (açıkça) değişiklik yaparak, bunu düzeltmek ve/veya RF sinyalinin doğru frekansını ve fazını üretmeye zorlamak suretiyle PLL sistemlerini karakterize eder ve tanımlar;
- Sıcaklık, nem, voltaj, osilatör eskimesi vb.'deki (istenmeyen) değişiklikler nedeniyle (VCO'nun) kaymasına neden olacak veya taşıyıcı frekansının gerekli değişikliğinin yayılması için programlanabilir mantık bölücüsünün "n" faktörünün (kasıtlı olarak) değiştirilmesi nedeniyle hızlı senkronizasyon;
- Ticari FM bandında kullanılabilme olanağı, gerektiğinde üretilen sinyalin frekans sapmasını 75 kHz'e (ve tabii ki, örneğin VHF 2 metrelerde kullanılırsa 5 kHz'e) kolayca ulaşabilmesi nedeniyle, yüksek doğrusallık ve çok düşük bozulma ile elde edilebilmesi, VCO'nun serbest bir LC osilatörü olması ve doğrudan ses sinyali tarafından modüle edilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır;
- Üretilen taşıyıcının çok yüksek hassasiyeti ve kararlılığı (birkaç mikrowatt'lık bir "topluluk radyosu" olarak kullanan ve menzili eviyle sınırlı olan bir arkadaşım için yaptığım üç prototipten biri). Bu arkadaşım, onu 96,5 MHz'de çalışacak şekilde programladığını ve herhangi bir basamakta herhangi bir değişiklik olmadan ekranında 96,50000 MHz değerini veren bir frekans ölçere bağladığını söyledi), kötü PLL vericilerinde bulunan verimsiz düşük geçişli filtrelerden gelen yaygın "dalgalanmalar" olmadan (söz konusu durumda, eğer kötü bir PLL olsaydı, basamaklar örneğin 96,49999 ile 96,50001 MHz arasında değişirdi; elbette, dijital radyolar "tarama" sırasında onları ayarlar, ancak bu uluslararası telekomünikasyon standartlarının sorunlarından da kaynaklanan büyük bir teknik sakıncadır). Prototipinin (ve ayrıca birleştirdiğim diğer ikisinin) son derece kararlı ve hassas olduğu kanıtlandı; bu yüzden bu durum frekans ölçer ekranında gösterildi.
KÜÇÜK BİR TARİH
60'lı yıllardan kalma elektronik kitaplarına bakarken, en azından ilginç olan, yayıncılık için FM vericileri hakkında bir makaleye rastladım: (varsayımsal) valf tabanlı bir projeydi ve şu şekilde çalışıyordu: iki osilatör kullanılıyordu, biri LC tank devresine bağlı bir reaktans valfine (varaktör) sahip serbest bir osilatördü ve diğeri de yine valf tabanlıydı ve kuvars kristali vardı; LC, rejeneratöründen sonra, modüle edilecek sesi FM'de aldı ve RF sinyali diğer valfler tarafından yükseltildi; kuvars osilatör ise, yazarın iddiasına göre “Fost-Seller” adını verdiği bir çarpma devresine bağlanmış bir sinyale sahipti ve bu devre de serbest osilatörden gelen sinyali zaten yükseltilmiş halde alıyordu. Her ikisinin ürettiği frekansların bir IF trafosuna bağlanmasıyla, ikincisinin sekonderinde, iki osilatörden gelen sinyallerin faz ve frekans farkına orantılı bir alternatif gerilim ortaya çıkar; Bu gerilim bir RC entegratörü ile doğrultulup filtrelendikten sonra osilatörün LC devresine bağlı reaktans valfinin şebekesine bağlandı. Yazara göre, frekans hatasıyla orantılı olan bu doğru gerilim (ki bu, kuvarsın oldukça kararlı ve hassas olması nedeniyle, açıkça, yalnızca serbest osilatörden gelebilirdi), reaktans valfinin ızgara anot kapasitansının değişmesine ve böylece onu düzeltmesine neden oluyordu. Bu bir analog PLL vericisi değil midir? Çalışma prensibinin öyle olduğu kanıtlandı, özellikle de yazarın o zamanlar, kuvars kararlılığı ve 75 kHz modülasyon sapması sağlayan, yani ticari yayıncılığa yönelik bir FM vericisine sahip olmayı mümkün kılan şeyin bu olduğunu belirtmesi göz önüne alındığında.
PLL EKİPMANININ SAĞLADIĞI AVANTAJLAR
Yukarıdaki satırlardan, üretilen sinyalin/sinyallerin sentezinde PLL kullanan RF vericilerinin (ve/veya alıcılarının) en azından aşağıdaki oldukça ilginç özellikleri gösterdiği kolayca anlaşılabilir:
- Devreleri, çarpan devrelerine ihtiyaç duyulmadan, doğrudan kullanılacak temel frekansı VCO üzerinden üretir;
- Tanımı gereği VCO (voltaj kontrollü osilatör), referans osilatör tarafından üretilen sinyalle aynı fazda bir sinyal üretmeye zorlandığından, birincinin ürettiği sinyalin kararlılığı ve doğruluğu ikincinin ürettiği sinyalle aynıdır; böylece, bir kuvars osilatörü her zaman referans olarak kullanıldığından (değişimi, rezonans frekansına göre birkaç milyon parça - ppm - yani kristalin titreştiği çeşitli MHz'lere göre birkaç Hz'dir - ve bu, onu bir termal odaya yerleştirmeden!), VCO aynı kararlılığa ve frekans hassasiyetine sahip olur;
- Kuvars osilatör frekansı da genellikle faz dedektörüne bağlanmadan önce sayısal olarak bölündüğünden, kristalin çok küçük frekans hatası (yukarıda belirtildiği gibi birkaç Hz veya hatta Hz'nin onda biri) da bölünür; dolayısıyla, yukarıda belirtildiği gibi VCO, referans sinyaliyle (bu durumda, kuvars kristali tarafından üretilen son derece kararlı ve sabit frekans ve bunun da üstüne dijital olarak bölünen ihmal edilebilir hatasıyla!) aynı fazda olduğundan, bir PLL vericisinin, yalnızca basit bir kuvars kristali osilatörü kullanan bir vericiden elde edilen (zaten muazzam olan) frekans doğruluğundan bile daha büyük bir frekans doğruluğuna sahip olduğu sonucuna varmak kolaydır;
- Gerilim kontrollü osilatör (VCO) serbest yani LC olduğundan farklı frekanslarda üretim aralığı çok geniştir. Bir PLL'de bunun kullanılmasının sebebi, örneğin bir FM vericisinde 87,5 ile 108,0 MHz arasında frekanslar üretmemiz gerektiğinde, böyle bir spektrumun basit bir LC osilatörü ile kolayca elde edilebilmesidir. Ve eğer serbest bir LC osilatörü 20 MHz'den daha büyük bir "tarama" elde edebiliyorsa, FM modülasyonu için 75 veya 100 kHz'e kadar çok daha küçük bir sapmaya da izin verdiği açıktır. Bu şekilde, aşağıdaki projedeki gibi bir verici, referans olarak tek bir kuvars kristalinden dijital olarak programlanabilir ve VCO sınırları içinde herhangi bir frekansı üretebilir; sadece bazı durumlarda LC sabitini artırmak veya azaltmak gerekir, böylece sistem senkronize olur ve fazda kilitlenir. Ayrıca, üretilen frekansların herhangi biri (sayısal bölücünün “n” ile BCD programlanmasına bağlı olarak birer birer) yüksek kalitede, son derece doğrusal bir FM modülasyonuna sahip olacaktır, çünkü modüle edici sinyalin genlik değişimleri doğrudan LC devresini oluşturan varikap diyotlara (varaktörlere) uygulanır;
- Yukarıdaki son satırlarda belirtildiği gibi, PLL'nin bir diğer avantajı, tam olarak, VCO reaktans devresinde, taşıyıcının üretimine bağlı olarak, AFC tarafından ters polarize edilmiş varikap diyotları (voltajı, üretilecek frekansa ve ayrıca VCO'nun doğru fazdan "kaçma" eğilimi olması durumunda hatasına orantılıdır) ve modüle eden sinyalin kendisi (bu durumda ses frekansları) aracılığıyla doğrudan FM modülasyonu gerçekleştirme olanağıdır.
Yukarıda belirtilenler göz önüne alındığında, şu anda tüm ticari radyo ve televizyon yayıncılarının, cep telefonu sistemlerinin, radyo iletişiminin ve diğer birçoklarının, devrelerinin sağladığı yüksek güvenilirlik nedeniyle, profesyonel amaçlar için ekipmanlarında "faz kilitlemeli döngü" kullanmasının nedenini anlamak kolaydır.
PROJE
1- VCO VE “ARABAĞLANTI”
İki elektrik şemasının da gösterdiği gibi, FM/VHF modülatörü, söz konusu faz kilitlemeli döngü sistemi PLL'nin bileşenleri olan VCO ve "tampon"dan (şekil 1) ve dijital frekans sentezleyiciden (şekil 2) oluşur.
VCO, ortak emitörde yüksek frekanslı transistör (6 GHz fT), BFR 9 0 veya 91 olan bir Clapp osilatörü kullanır; Bu konfigürasyon, söz konusu yarı iletkenin PN bağlantılarının içindeki parazitik kapasitansları büyük ölçüde yükseltmesine rağmen, projenin amaçlandığı VHF frekanslarından çok daha yüksek frekanslar için tasarlanmış olması nedeniyle, mikrodalga sinyallerini üretmek veya yükseltmek için üretilen yüksek geçiş frekanslı “düzlemsel epitaksiyel” teknoloji transistörü olması nedeniyle, projede kullanımı hiç de kritik değildir. Bunun yokluğunda, örneğin BF494 veya 495 gibi bir VHF transistörü bile kullanılabilir, ancak bu durumda, ortak emitörde polarize olması nedeniyle taşıyıcıda daha fazla beyaz gürültü olacaktır, bu da söz konusu projede onu fT'sine (250 MHz) çok yakın hale getirir.
Bu transistörün tabanına LC tank devresi bağlanarak geri besleme yapılır ve yükseltilerek RF sinyali üretilir. Projenin amacı yüksek VHF sinyalleri üretmek olduğundan parçalar halinde yapılması tavsiye edilir, bu nedenle bu osilatörle başlamak ilginç olacaktır. Bu nedenle, başlangıçta sentezleyiciden ayrılacağı için, şimdilik (osilatörü ve "tamponu" test ederken) varikap diyotların veya varaktörlerin, bu durumda BB809'un (veya BB405, BB109, vb.) lehimlenmemesi gerekir, çünkü aksi takdirde, başlangıçta sentezleyiciden gelecek AFC'den mahrum kalacakları için, modülasyonda güçlü 60 Hz uğultulara ek olarak, osilatörde yüksek kararsızlığa neden olurlar, çünkü, doğrudan voltaj ters polarize edilmediği sürece, harici elektrik sinyallerine karşı savunmasızdırlar, ayrıca, bu koşullarda, birkaç pF'lik "rastgele" kapasitörler gibi davranırlar, bu da VCO'nun LC rezonans devresinde neden olacakları frekans kararsızlığını haklı çıkarır.
Dolayısıyla, PLL tarafından stabilize edilmemiş olsa da, VCO'nun başlangıçta yalnızca belirli bir stabiliteye sahip, uğultu ve/veya beyaz gürültüden arınmış temiz bir sinyale sahip bir taşıyıcı üretmesi gerekir. Bunu yapmak için, baskılı devre kartının boyutlarına göre uygun şekilde kesilebilen toz süt kutularından dikdörtgen metal kalkanlarla bir "Farad kafesi" içine monte edilmesi ve etrafına lehimlenmesi gerekir (çünkü "düzeninde", dünyanın "sıfır volt" hattının etrafından geçmesi gerekir ve bu amaçla, kalın izlerle dört tarafına çizilmesi gerekir). Eğer fiberglass'tan yapılmışsa en iyi seçenek olacaktır; Ancak cihaz son derece güvenilir ve stabil olduğundan fenolik bir plaka üzerine montajı da mümkündür ve düzgün çalışmasını engellemez.
PLL, VCO kararsızlıklarından (sıcaklık, voltaj, bağıl nem, cihazın bulunduğu metal kasanın kapasitansları vb.'deki değişikliklerden kaynaklanan) kaynaklanan frekans ve faz sapmalarını telafi ettiğinden, rezonans LC devresinde örneğin seramik gibi herhangi bir kaliteli kapasitör kullanılabilir. Ancak mümkünse, ortamdaki sıcaklık ve nem değişimlerine karşı daha fazla kararlılık ve kapasitans hassasiyeti göstermeleri (PLL AFC'nin telafi edeceği) ve taşıyıcıya daha düşük beyaz gürültü sağlamaları nedeniyle negatif sıcaklık telafisi olanların ("NPO plaka" veya gümüş mika) kullanılması önerilir. Bu nedenle, VCO'nun pikofarad kapasitansı için, levha veya mika kapasitörler daha iyidir; bunların arasında, osilatör transistörünün tabanı ile kollektörü arasında 2,2 pF'lik bir tane görülebilir: işlevi, yarı iletkenin sırasıyla girişi ve sinyal çıkışlarından biri olan bu iç elektrotları arasında bulunan 180º'lik fazı "iptal etmektir"; Bu şekilde, taban ile kollektör arasına bağlanan söz konusu kondansatör, transistörün ürettiği zaten düşük olan beyaz gürültüyü büyük oranda azaltır. Geriye kalan nanofaradlardan oluşan kısım ise sıradan seramikler olabilir. 10 veya 16 V için 2200 µF elektrolitik kapasitöre gelince, 9 V regülatörü tarafından ortadan kaldırılmayan tüm VCC dalgalanmalarını ("dalgalanma") filtreler (tüm 78XX'lerde olduğu gibi, bunları 60 dB'de reddeder ve genliklerini 1000 kat azaltır, yani dengesiz jeneratörden gelen her 1 V dalgalanma için, regülatör IC tarafından çalıştırılan devreye yalnızca 1 mV ulaşır), baskılı devre kartıyla aynı hizada lehimlenmemesi önerilir; Bir araya getirdiğim prototiplerde, parazitik endüktansı nedeniyle (100 nF ve 100 pF seramik kapasitörler tarafından ayrıştırılmış olmasına rağmen - ikincisi, osilatörden gelen herhangi bir RF sinyalinin onu çalıştıran +B'ye ulaşmasını önlemek için tasarlanmıştır), söz konusu elektrolitin, 7809 regülatörüyle ve osilatörün kendisiyle olası geri bildirimler nedeniyle düdük benzeri istenmeyen bir gürültü üretebileceğini fark ettim. Ayrıca elektrolitik endüktansın VCO tarafından üretilen taşıyıcıda beyaz gürültüye neden olabileceğini de fark ettim; bu şekilde, uçları osilatör kartının tabanına göre yaklaşık 1 cm yükseklikte olacak şekilde lehimleyin; Ayrıca diğer VCO bileşenlerinden yaklaşık 1,5 cm veya biraz daha fazla uzakta olması önerilir. Bir diğer "ipucu" ise, VCO'nun bileşenleri sabitlemek için kart üzerinde delikler varsa (bu şekilde, bu delikler izole edilmiş kısımda olacaktır ve bakır sadece terminallerini lehimlemekten sorumlu olacaktır), osilatör transistörünün kartın bakır kısmına lehimlenmesidir, çünkü bu VCO'nun kararlılığını büyük ölçüde artırır (henüz PLL'den AFC almadan) ve taşıyıcı gürültüsünü önemli ölçüde azaltır; her durumda, montaj doğrudan kartın bakır yüzeyinde (bu nedenle "SMD" olarak) yapılırsa, davranışı daha iyi olur,Yüksek frekanslı sinyallerle çalıştığı için. Okuyucu, serbest bir osilatör olarak veya PLL ile stabilize edilmiş olsun, VCO'nun, düzgün bir şekilde bir araya getirildiğinde, ticari FM istasyonlarını modülasyon yapmadan ayarladığımızda ve "alıcılarımızın" ses kontrolünü artırdığımızda, onların ürettiğine benzer (ve bazı durumlarda daha üstün) temiz, gürültüsüz bir taşıyıcı üreteceğini fark edecektir. Bunun olmasının nedenlerinden biri de BFR'nin9 0 (veya 91), SHF (6 GHz'lik fT) için tasarlandığından, geçiş frekansından 50 veya hatta 60 (PLL'nin 100 MHz'e yakın frekanslar üretmesi gerekiyorsa) kat daha düşük frekanslı sinyaller üretmek için "kolayca" çalışır.
VCO ilk kez test edildiğinde (ve hatta daha sonra, PLL ile tam çalışma sırasında), üretilen frekansta büyük kaymalar ve her şeyden önce uğultu ve vızıltıları önlemek için, iyi filtrelenmiş, stabilize edilmiş ve toprak terminaline bağlı metal bir kutuya monte edilmiş 12 ila 15 V'luk bir kaynakla besleyin. Elbette PLL ile kötü kaynakların “dalgalanmasından” kaynaklanan frekans sapmaları olmayacaktır, ancak iletimde mutlaka gürültü olacaktır. Dolayısıyla, verici, bu amaç için en iyi doğru akım kaynakları olan araba veya motosiklet aküleri tarafından çalıştırılmıyorsa (içlerinde bulunan yüksek amperajlar ve her şeyden önce, kimyasal jeneratörler oldukları için tamamen gürültüsüz olmaları nedeniyle), güç kaynağının yukarıda belirtildiği gibi iyi filtrelenmiş, sabitlenmiş ve topraklanmış bir metal kutuya monte edilmiş olması önemlidir. Kullanılan LC sabit olduğundan, bir radyo alıcısında (örneğin, bu bantta çalışacak şekilde ayarlanmış bir FM alıcısında) VCO'nun serbest salınımını ayarlayamıyorsanız, radyoda istasyon bulunmayan bir frekansta sinyal alımı elde edene kadar osilatör bobinini dikkatlice sıkabilir veya uzatabilirsiniz. Montajcının bir frekans ölçeri veya osiloskopu varsa, bunları "tampon" çıkışına bağlayarak kullanabilir: bunun için, BF495 veya 494'ün emitörüne 10 ile 100 pF arasında bir kapasitör bağlayın. Osiloskop ekranı, sinüzoidal bir sinyalin varlığını gösterecektir, ancak dengesiz bir periyotla (esas olarak kapasitörlere ve/veya VCO bobinine dokunulursa veya ısı, nem vb. alırsa), çünkü o anda PLL'ye bağlı değildir. Bir frekans ölçer kullanılırsa, izlenen sinyal, özellikle virgül veya noktadan sonraki "yerlerde", ekrandaki rakamlarda süresiz olarak büyük bir değişikliğe sahip olacaktır (PLL, VCO'ya bağlandığında bu gerçekleşmeyecektir: bu durumda frekans, aşağıdaki paragraflarda bahsedeceğim gibi, ekranda tüm rakamlar "sabit" olarak, herhangi bir değişiklik olmadan görünecektir). Dolayısıyla, ne kadar iyi olursa olsun, herhangi bir serbest osilatörün, LC veya RC, herhangi bir kararlılık veya hassasiyete sahip olmaksızın, rastgele frekansta bir alternatif voltaj sinyali ürettiği ve dolayısıyla PLL'ye ihtiyaç duyulduğu açıktır. Salınımlı bobine gelince, bir hava çekirdeğine sahip olacak ve 2 ila 6 tur emaye tel 19'dan (PLL ile üretmek istediğiniz VHF frekans aralığına göre) oluşacak, 6 mm iç çapa ve 1 cm uzunluğa sahip olacak; Tıpkı 2200 µF elektrolitik kondansatörde olduğu gibi, bu bobinin de taşıyıcıda beyaz gürültü oluşumunu önlemek için, uçlarının yaklaşık 7 mm yüksekliğinde olacak şekilde kartın tabanından biraz uzakta olması ilginçtir. Eğer ekipman ticari FM bandında, 87.5 ile 108 MHz arasında kullanılacaksa bu bobin 4 turlu olacaktır. Montajcı isterse, endüktansını daha fazla veya daha az değiştirebilecek şekilde ayarlanabilir bir ferrit çekirdek üzerine inşa edebilir, böylece PLL, VCO'nun istenen frekansı üretmesini sağlar,senkronize ederek; Bu durumda, değişken bobinin, radyo alıcılarındaki IF'lerin "kupalarına" benzer şekilde, osilatör toprağına lehimlenmiş harici bir korumaya sahip olması ilginçtir.
Şemada da görüldüğü gibi, BFR 9 1'in kollektörü, 10 nF seramik kapasitör (veya mümkünse plaka) aracılığıyla ayrıştırılmıştır: toprağa yapılan bu bağlantı, osilatör tarafından üretilen zaten düşük olan beyaz gürültüyü büyük ölçüde azaltır; Ancak, üretilen sinyalin RF genliğini önemli ölçüde zayıflatması gibi bir dezavantajı vardır (bu nedenle söz konusu transistörün emitöründen kaldırılmıştır). Böylece, BF495, VCO aperiyodik izolasyon transistöründen (“tampon”) çıkarıldıktan sonra, daha sonra iletim antenine bağlanmak üzere yoğunlaştırılırsa, uzun menzil için yeterli güç elde etmek veya sonraki yüksek güçlü amplifikatör elemanının uyarılması için, transistörlü, valfli veya VHF için tasarlanmış entegre devre modüllerinden oluşan RF amplifikatör aşamaları yüksek kazançlı ve/veya yüksek sayıda (en az 3 veya 4 amplifikatör devresi) olmalıdır. Dolayısıyla ilk aşamalarda RF genliğinde makul bir kazanç olması gerekir ki, bu modülatör tarafından üretilen küçük sinyal, 50 Ω yüke bağlanmış küçük bir akkor lambayı yakabilecek veya bir wattmetre veya SWR metreyi uyarabilecek kapasitede olsun. Yine “tampon” ile ilgili olarak, bağlandığı RF amplifikatör katıyla uygun empedans uyumu için, ortak kollektör konfigürasyonu (emiter izleyici) seçildi; BF495 kollektörü doğrudan kaynağın +B ucuna, emitör ise devrenin ürettiği VHF sinyalinin çıkışına bağlandı ve bu sinyal aynı zamanda PLL “ön ölçekleyici” entegre devresinin girişini de besleyecek. Not: Ayrı kartlara monte edildikleri için (uygun şekilde “Farad kafesleri” ile ekranlanmış), VCO/“tampon”un RF çıkışı ile PLL’nin (CI DS 8 629, “ön ölçekleyici”) girişi arasındaki bağlantı ve diğeri, PLL faz dedektörünün alçak geçiren filtresinin çıkışı ile VCO’nun girişi arasında var olan (varikap diyotlar BB809 veya VHF veya µHF için BB405, BA102, BB109 vb.), dengesizlikleri (esas olarak senkronizasyon sırasında PLL’nin “kilitlenmesini” önleyecek olanlar), gürültüleri, uğultuları, vızıltıları vb. önlemek için, örgüleri düzgün bir şekilde topraklanmış, kaliteli ekranlı kablolarla yapılmalıdır. Aslında, VCO/“tampon” ve PLL sentezleyici düzenekleri, düdük sesi olmaması için, bilerek iki ayrı ve düzgün bir şekilde ekranlanmış baskılı devre kartı üzerinde bu şekilde yapılmıştır. ve/veya VCO üzerindeki sentezleyicinin CMOS dijital bölücülerinden gelen "titreşim" gürültüleri ve buna karşılık, bunun ürettiği RF'nin bu entegre devrelerin hassas mantık kapılarıyla etkileşime girmemesi, bunların düzensiz mantık seviyelerine ve/veya "eşiklere" yol açmaması ve bunun da PLL'nin kilitlenmesini engellemesi.
Bu verici kartını çalıştıran voltaj regülatörüne gelince, sadece bir uyarı: VCO ve "tampon" birlikte güç kaynağından yaklaşık 20 mA çektiğinden, yüke 1 A'ya kadar akım sağlayabilen bir LM7809 kullanmanın israf olduğunu düşündüm; Bu nedenle prototiplerde daha küçük kasa ve ebatlara sahip olan 78L09'u kullandım, çünkü bu projede herhangi bir ısıtmaya ihtiyaç duymadan çalışıyor. Ancak, pinout'u bunun tam tersidir: LM7809, düzenlenmemiş voltajın +B'sini 1 numaralı pin üzerinden alır ve bunu 3 numaralı pin üzerinden sabitlenmiş şekilde iletir; küçük 78L09 ise tam tersini yapar (girişi 3 numaralı pin, çıkışı ise 1 numaralı pindir). Bu nedenle, aynı kart "düzeni" bu voltaj sabitleyici IC'lerden herhangi birini almak için kullanılabilir, ancak takarken ve lehimlerken birinin diğerine göre "yansıtılmış" olduğunu unutmamak önemlidir; sadece toprağa bağlı olan 2. pin devreye bağlantı açısından onlarla aynıdır.
Elektrik şemasında görüldüğü gibi “tampon”un RF çıkışında DC izolasyon kondansatörü bulunmamaktadır; Bunun nedeni, PLL sentezleyicinin girişinde (DS 8 629 “ön ölçekleyici”nin 7. pini) bu amaç için zaten 1 nF seramik bulunmasıdır. Ancak, bu VHF osilatör/izolatöründen gelen sinyal bir RF amplifikatörüne bağlandığında, BF494/5 emitöründeki DC voltajına (devrenin 9V'undan biraz daha düşük) dikkat edilmelidir: eğer bir sonraki aşama, örneğin, amplifikatör devresi tarafından (kendi dirençli voltaj bölücüsü tarafından) önceden polarize edilmiş bir transistörün tabanı ise, tipik olarak 10 ile 100 pF arasında bir seramik izolasyon kapasitörü takılmalıdır. Ancak, bu sonraki transistörün tabanı hem RF sinyalini hem de onu polarize edecek küçük bir doğru voltajı "önyargı" olarak alacak şekilde tasarlanmışsa, bağlantı yukarıda belirtilen kapasitör olmaksızın doğrudan olmalıdır. Her durumda, RF bağlantısı, iki baskılı devre kartının ekranlarına düzgün bir şekilde topraklanmış örgülerle, iyi kalitede ekranlı veya koaksiyel kablo kullanılarak yapılmalı, böylece bu devrenin bağlanacağı amplifikatöre ulaşmadan önce radyasyona maruz kalmaz (ve dolayısıyla genlik kaybına uğramaz ve/veya ekipmanda kararsızlığa neden olmaz). Baskılı devre kartları arasında koaksiyel kablo (ses veya RF) kullanımına ilişkin bu özen, VCO/“tampon” kartı ile PLL kartı arasındaki bağlantılarda da gözetilmelidir.
Şekil 1: Voltaj kontrollü osilatör (“VCO”) ve RF tamponu; Baskılı devre kartını, devre toprağına lehimlenen bir “Farad kafesi” ile çevreleyerek birleştirin.
2- PLL SENTEZLEYİCİ
Şekil 2’de elektrik şeması görülen synthesizer’da, tampon ve VCO’dan gelen VHF sinyalinin, DC gerilim izolasyonu için 1 nF seramik kapasitör üzerinden, kendisine iletilen frekansı 100’e bölen ve aynı zamanda bir Schmitt tetiği görevi gören National Semiconductor ECL teknolojisi ön ölçekleyicisi olan DS 8 629 IC’nin 7 numaralı pinine bağlandığını görüyoruz, çünkü kendisine ulaşan sinyalin biçimi ne olursa olsun, çıkışı (pin 2) her zaman dijital olacaktır. Bu IC için güç kaynağının 4,5 ile 5,5 V arasında olması gerektiğinden, voltaj regülatörü olarak bir LM7805 regülatörü (veya eşdeğeri) yerleştirildi; böyle bir regülatör iyi bir soğutucuya monte edilmelidir (şemada gösterildiği gibi), çünkü vericinin +B'si ile regülatörün 5 V çıkışı arasındaki voltaj farkının PLL tarafından boşaltılan akımla çarpımı nedeniyle en az 700 mW dağıtır (en az 100 mA, DS 8 629'un tipik tüketimi; diğer PLL IC'leri, CMOS olduklarından, birkaç mA'lik minimum tüketime sahiptirler - üçü birlikte -, böylece sentezleyici tarafından boşaltılan toplam akım yoğunluğu pratik olarak yukarıda belirtilen "ön ölçekleyicide" yoğunlaşır).
Birleştirilen üç prototipin ticari FM bandı için tasarlanması nedeniyle, devrenin nasıl çalıştığını açıklamak için bunları kullanacağız. Böylece, "ön ölçekleyici" 87,5 ile 108 MHz arasındaki analog sinyalleri alacak ve bunları 100'e bölecektir. Örneğin, 102,4 MHz'i ele alalım (elbette, bu frekansın, birincisi, onu "korsan radyo" olarak nitelendirmemek için, ikincisi de ondalık noktadan sonra çift rakam olması nedeniyle, Brezilya'daki ve dünyadaki çoğu ülkedeki FM standardına aykırı olarak, vericiyi çalıştıracak kişinin ikametgahının sınırlarının ötesine yayınlanmaması gerekir): DS 8 629 bunu aldığında, onu 100'e bölecek ve size dijital olarak, 1024 KHz frekansında iletecektir.
Aynı zamanda, HEF4060 osilatör mantık kapısı veya CD 4060 (pinler 10 ila 12), kendisine bağlı aynı frekanstaki kuvars kristali sayesinde yüksek kararlılık ve hassasiyete sahip 4.096 MHz'lik bir dijital sinyal üretir (bu sinyalin varlığını kanıtlamak için, eğer montajcı -benim gibi- bir frekans ölçer veya osiloskopa sahip değilse, 4060'ın 11 numaralı pinine küçük bir parça sert tel lehimleyin ve sinyalini temel frekans olan 4096 kHz'de ve harmoniklerinde, 8192, 16384, vb. veya hatta çok daha düşük genlikte -bu nedenle alıcıya çok yaklaşma ihtiyacı- FM bandındaki harmoniklerde (yirmi ikinci ila yirmi altıncı) alacak olan tropikal veya kısa dalga alıcısında ayarlayın: 90.1, 94.2, 98.3, 102.4 ve 106,5). MHz; eğer mümkünse, bu test için dijital bir FM alıcısı kullanın: eğer osilatör 4096 kHz'i doğru bir şekilde üretiyorsa (ve üretiyor, çünkü 39 pF kapasitörler kristali, kesildiği frekansın tam titreşimine, küçük sapmalar olmadan, ulaştırıyor), radyo alıcısının otomatik dijital ayarını ("tarama") "serbest bırakarak", PLL'si yukarıda belirtilen şu frekanslarda ekranı "durduracaktır": 90.1, 94.2... ve 106.5 MHz; Gerekirse, 4060'ın 11. pininden gelen teli FM alıcı antenine sarın, çünkü bu amaçla, çok daha düşük bir frekanstaki - 4.096 MHz - bir sinyalden kaynaklanan dijital harmoniklerin genliği, bir FM radyo tarafından ayarlanamayacak kadar düşüktür. 4060 IC'de dahili osilatöre ek olarak, aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi her biri bir ikili bölücüye karşılık gelen 10 adet flip-flop da bulunur:
VHF'de olduğu gibi, frekansı modüle edilmiş yüksek frekanslar için bir radyo vericisi tasarlamaya çalıştığımızda, istenen frekansa ulaşmak için sonunda tek bir kuvars osilatörüne ve ardından çarpanlara ihtiyaç duyulması gibi bazı sorunlarla karşılaşırız; ayrıca, kristalin ürettiği osilatörde, onu tanımlayan yüksek kararlılık ve salınım hassasiyeti nedeniyle, bu özellik açısından çok dar bir şekilde üretilen kristalin ürettiğinde makul bir sapma vardır.
2 metreden daha uzak mesafelerdeki iletişimlerde bu pek sorun teşkil etmiyor, çünkü %100 modülasyona ulaşmak için gereken sapma sadece 5 kHz; Ancak, yine de, tek bir osilatör, frekansı yayılacak olanın tam bir böleni olan bir kuvars kristali kullanırsak (örneğin, RF amplifikatör aşamaları tarafından 10 ile çarpıldığında istenen son frekans olan 145 MHz'i veren 14,5 MHz gibi), "ardından" frekans çarpanları "kullanırsak", iki sakınca ortaya çıkar: birincisi: ekipman, bir aşama ile diğeri arasında, mükemmel bir Q faktörüne sahip eliptik "çentikli" bant kesimli filtrelere (Cauer'in LC'si gibi) ihtiyaç duyar, böylece osilatör tarafından üretilen ara harmonik frekanslar (ve temel frekansın kendisi) antene ulaşmaz ve elektromanyetik spektrumda muazzam bir girişim yaratma cezasına çarptırılır; İkincisi: Üretilen frekansın, emisyon için istenen frekansa ulaşılana kadar çarpılması gerektiğinden, bunu yapan RF amplifikatörleri, osilatörün temel frekansında rezonansa girmiş olsalardı üreteceklerinden çok daha düşük çıkış genlikleri sağlarlar ve bu da sadece onun ürettiği sinyali yoğunlaştırır. Dahası, bu şekilde yapılmış "basit" bir radyo modülatörü, radyo amatörünün tek bir yayılan frekansı, kuvars kristali tarafından üretilenin bir katını (veya osilatöre bağlı bir seçici anahtarla birden fazla kristal kullanılması durumunda sadece birkaç tane daha fazlasını) kullanmasını da "kısıtlar"; ayrıca, kuvars kristali, tanımı gereği, rezonansına göre büyük frekans değişimlerine izin vermediğinden (bu, varikap, kapasitör ve seri bağlı bobinin onu dengesizleştirmediği veya salınımını engellemediği zamandır!) yayılan sesin güçlü bozulmasından bahsetmeye bile gerek yok.
Ancak, bizim "şansımıza" göre, teknoloji son yıllarda gelişti ve dijital elektroniğin ortaya çıkmasıyla birlikte, telekomünikasyonlar, kuvars hassasiyeti ve kararlılığıyla yüksek VHF, µHF veya hatta SHF sinyallerinin doğrudan üretilmesi ve tek bir RF verici ve/veya alıcı ekipmanında, nispeten az sayıda bileşenle çok geniş bir frekans aralığı üretme olanağı açısından kalitede büyük bir sıçrama yaşadı. Ve bu teknolojik "harikalardan" biri de "faz kilitli döngü" (veya "mesh") sisteminin veya İngilizce'de PLL'nin (faz kilitli döngü) icadıydı; ve geliştirdiğim proje bu teknolojiyi kullanıyor, ancak şu anda DSP entegre devreleri, PIC mikrodenetleyicileri, EPROM mantığı veya hatta örneğin MC 1 45151 veya 145152 gibi özel Motorola devrelerine dayanan daha gelişmiş devreler mevcut, ancak bunlar montajcı için daha pahalı. Ama şimdi sunduğum bu ürün, basit ve ucuz olmasının yanı sıra şu gibi harika özelliklere de sahip:
- Programlanabilir mantık bölücünün “n” faktörünü BCD'de değiştirerek (ve gerekirse, PLL tarafından senkronize edilemiyorsa, VCO'nun L ve/veya C değerini değiştirerek) 120 MHz'e kadar (“ön ölçekleyicinin” “çalışabileceği” maksimum frekans) birden fazla VHF frekansını doğrudan üretme olanağı;
- Mağazalarda veya internette kolayca bulunabilen yaygın entegre devrelerin kullanılması nedeniyle çok düşük maliyetlidir;
- Yüksek modülasyon doğrusallığına ve çok düşük taşıyıcı gürültüsüne sahip, voltaj kontrollü serbest osilatöre (İngilizce: VCO) sahip olmak;
- Yazılım ve mikrobilgisayar aracılığıyla herhangi bir harici programlama yapmaya gerek yoktur (PIC, DSP ve/veya EPROM içeren projelerde olduğu gibi);
- Faz karşılaştırıcısının (veya dedektörünün) çıkışı ile VCO'nun girişi arasına mükemmel bir alçak geçiren filtre kullanın, bu filtre, varaktör diyotlarında, düdükler, uğultular, dengesizlikler veya frekansını gereksiz yere modüle eden gürültüler olmadan, sıfır Hz'e çok yakın temiz bir CAF (veya İngilizce'de "AFC") almasını sağlar; böyle bir AFC, yalnızca VCO frekans hatasına orantılı olarak DC gerilim genliğinde (açıkça) değişiklik yaparak, bunu düzeltmek ve/veya RF sinyalinin doğru frekansını ve fazını üretmeye zorlamak suretiyle PLL sistemlerini karakterize eder ve tanımlar;
- Sıcaklık, nem, voltaj, osilatör eskimesi vb.'deki (istenmeyen) değişiklikler nedeniyle (VCO'nun) kaymasına neden olacak veya taşıyıcı frekansının gerekli değişikliğinin yayılması için programlanabilir mantık bölücüsünün "n" faktörünün (kasıtlı olarak) değiştirilmesi nedeniyle hızlı senkronizasyon;
- Ticari FM bandında kullanılabilme olanağı, gerektiğinde üretilen sinyalin frekans sapmasını 75 kHz'e (ve tabii ki, örneğin VHF 2 metrelerde kullanılırsa 5 kHz'e) kolayca ulaşabilmesi nedeniyle, yüksek doğrusallık ve çok düşük bozulma ile elde edilebilmesi, VCO'nun serbest bir LC osilatörü olması ve doğrudan ses sinyali tarafından modüle edilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır;
- Üretilen taşıyıcının çok yüksek hassasiyeti ve kararlılığı (birkaç mikrowatt'lık bir "topluluk radyosu" olarak kullanan ve menzili eviyle sınırlı olan bir arkadaşım için yaptığım üç prototipten biri). Bu arkadaşım, onu 96,5 MHz'de çalışacak şekilde programladığını ve herhangi bir basamakta herhangi bir değişiklik olmadan ekranında 96,50000 MHz değerini veren bir frekans ölçere bağladığını söyledi), kötü PLL vericilerinde bulunan verimsiz düşük geçişli filtrelerden gelen yaygın "dalgalanmalar" olmadan (söz konusu durumda, eğer kötü bir PLL olsaydı, basamaklar örneğin 96,49999 ile 96,50001 MHz arasında değişirdi; elbette, dijital radyolar "tarama" sırasında onları ayarlar, ancak bu uluslararası telekomünikasyon standartlarının sorunlarından da kaynaklanan büyük bir teknik sakıncadır). Prototipinin (ve ayrıca birleştirdiğim diğer ikisinin) son derece kararlı ve hassas olduğu kanıtlandı; bu yüzden bu durum frekans ölçer ekranında gösterildi.
KÜÇÜK BİR TARİH
60'lı yıllardan kalma elektronik kitaplarına bakarken, en azından ilginç olan, yayıncılık için FM vericileri hakkında bir makaleye rastladım: (varsayımsal) valf tabanlı bir projeydi ve şu şekilde çalışıyordu: iki osilatör kullanılıyordu, biri LC tank devresine bağlı bir reaktans valfine (varaktör) sahip serbest bir osilatördü ve diğeri de yine valf tabanlıydı ve kuvars kristali vardı; LC, rejeneratöründen sonra, modüle edilecek sesi FM'de aldı ve RF sinyali diğer valfler tarafından yükseltildi; kuvars osilatör ise, yazarın iddiasına göre “Fost-Seller” adını verdiği bir çarpma devresine bağlanmış bir sinyale sahipti ve bu devre de serbest osilatörden gelen sinyali zaten yükseltilmiş halde alıyordu. Her ikisinin ürettiği frekansların bir IF trafosuna bağlanmasıyla, ikincisinin sekonderinde, iki osilatörden gelen sinyallerin faz ve frekans farkına orantılı bir alternatif gerilim ortaya çıkar; Bu gerilim bir RC entegratörü ile doğrultulup filtrelendikten sonra osilatörün LC devresine bağlı reaktans valfinin şebekesine bağlandı. Yazara göre, frekans hatasıyla orantılı olan bu doğru gerilim (ki bu, kuvarsın oldukça kararlı ve hassas olması nedeniyle, açıkça, yalnızca serbest osilatörden gelebilirdi), reaktans valfinin ızgara anot kapasitansının değişmesine ve böylece onu düzeltmesine neden oluyordu. Bu bir analog PLL vericisi değil midir? Çalışma prensibinin öyle olduğu kanıtlandı, özellikle de yazarın o zamanlar, kuvars kararlılığı ve 75 kHz modülasyon sapması sağlayan, yani ticari yayıncılığa yönelik bir FM vericisine sahip olmayı mümkün kılan şeyin bu olduğunu belirtmesi göz önüne alındığında.
PLL EKİPMANININ SAĞLADIĞI AVANTAJLAR
Yukarıdaki satırlardan, üretilen sinyalin/sinyallerin sentezinde PLL kullanan RF vericilerinin (ve/veya alıcılarının) en azından aşağıdaki oldukça ilginç özellikleri gösterdiği kolayca anlaşılabilir:
- Devreleri, çarpan devrelerine ihtiyaç duyulmadan, doğrudan kullanılacak temel frekansı VCO üzerinden üretir;
- Tanımı gereği VCO (voltaj kontrollü osilatör), referans osilatör tarafından üretilen sinyalle aynı fazda bir sinyal üretmeye zorlandığından, birincinin ürettiği sinyalin kararlılığı ve doğruluğu ikincinin ürettiği sinyalle aynıdır; böylece, bir kuvars osilatörü her zaman referans olarak kullanıldığından (değişimi, rezonans frekansına göre birkaç milyon parça - ppm - yani kristalin titreştiği çeşitli MHz'lere göre birkaç Hz'dir - ve bu, onu bir termal odaya yerleştirmeden!), VCO aynı kararlılığa ve frekans hassasiyetine sahip olur;
- Kuvars osilatör frekansı da genellikle faz dedektörüne bağlanmadan önce sayısal olarak bölündüğünden, kristalin çok küçük frekans hatası (yukarıda belirtildiği gibi birkaç Hz veya hatta Hz'nin onda biri) da bölünür; dolayısıyla, yukarıda belirtildiği gibi VCO, referans sinyaliyle (bu durumda, kuvars kristali tarafından üretilen son derece kararlı ve sabit frekans ve bunun da üstüne dijital olarak bölünen ihmal edilebilir hatasıyla!) aynı fazda olduğundan, bir PLL vericisinin, yalnızca basit bir kuvars kristali osilatörü kullanan bir vericiden elde edilen (zaten muazzam olan) frekans doğruluğundan bile daha büyük bir frekans doğruluğuna sahip olduğu sonucuna varmak kolaydır;
- Gerilim kontrollü osilatör (VCO) serbest yani LC olduğundan farklı frekanslarda üretim aralığı çok geniştir. Bir PLL'de bunun kullanılmasının sebebi, örneğin bir FM vericisinde 87,5 ile 108,0 MHz arasında frekanslar üretmemiz gerektiğinde, böyle bir spektrumun basit bir LC osilatörü ile kolayca elde edilebilmesidir. Ve eğer serbest bir LC osilatörü 20 MHz'den daha büyük bir "tarama" elde edebiliyorsa, FM modülasyonu için 75 veya 100 kHz'e kadar çok daha küçük bir sapmaya da izin verdiği açıktır. Bu şekilde, aşağıdaki projedeki gibi bir verici, referans olarak tek bir kuvars kristalinden dijital olarak programlanabilir ve VCO sınırları içinde herhangi bir frekansı üretebilir; sadece bazı durumlarda LC sabitini artırmak veya azaltmak gerekir, böylece sistem senkronize olur ve fazda kilitlenir. Ayrıca, üretilen frekansların herhangi biri (sayısal bölücünün “n” ile BCD programlanmasına bağlı olarak birer birer) yüksek kalitede, son derece doğrusal bir FM modülasyonuna sahip olacaktır, çünkü modüle edici sinyalin genlik değişimleri doğrudan LC devresini oluşturan varikap diyotlara (varaktörlere) uygulanır;
- Yukarıdaki son satırlarda belirtildiği gibi, PLL'nin bir diğer avantajı, tam olarak, VCO reaktans devresinde, taşıyıcının üretimine bağlı olarak, AFC tarafından ters polarize edilmiş varikap diyotları (voltajı, üretilecek frekansa ve ayrıca VCO'nun doğru fazdan "kaçma" eğilimi olması durumunda hatasına orantılıdır) ve modüle eden sinyalin kendisi (bu durumda ses frekansları) aracılığıyla doğrudan FM modülasyonu gerçekleştirme olanağıdır.
Yukarıda belirtilenler göz önüne alındığında, şu anda tüm ticari radyo ve televizyon yayıncılarının, cep telefonu sistemlerinin, radyo iletişiminin ve diğer birçoklarının, devrelerinin sağladığı yüksek güvenilirlik nedeniyle, profesyonel amaçlar için ekipmanlarında "faz kilitlemeli döngü" kullanmasının nedenini anlamak kolaydır.
PROJE
1- VCO VE “ARABAĞLANTI”
İki elektrik şemasının da gösterdiği gibi, FM/VHF modülatörü, söz konusu faz kilitlemeli döngü sistemi PLL'nin bileşenleri olan VCO ve "tampon"dan (şekil 1) ve dijital frekans sentezleyiciden (şekil 2) oluşur.
VCO, ortak emitörde yüksek frekanslı transistör (6 GHz fT), BFR 9 0 veya 91 olan bir Clapp osilatörü kullanır; Bu konfigürasyon, söz konusu yarı iletkenin PN bağlantılarının içindeki parazitik kapasitansları büyük ölçüde yükseltmesine rağmen, projenin amaçlandığı VHF frekanslarından çok daha yüksek frekanslar için tasarlanmış olması nedeniyle, mikrodalga sinyallerini üretmek veya yükseltmek için üretilen yüksek geçiş frekanslı “düzlemsel epitaksiyel” teknoloji transistörü olması nedeniyle, projede kullanımı hiç de kritik değildir. Bunun yokluğunda, örneğin BF494 veya 495 gibi bir VHF transistörü bile kullanılabilir, ancak bu durumda, ortak emitörde polarize olması nedeniyle taşıyıcıda daha fazla beyaz gürültü olacaktır, bu da söz konusu projede onu fT'sine (250 MHz) çok yakın hale getirir.
Bu transistörün tabanına LC tank devresi bağlanarak geri besleme yapılır ve yükseltilerek RF sinyali üretilir. Projenin amacı yüksek VHF sinyalleri üretmek olduğundan parçalar halinde yapılması tavsiye edilir, bu nedenle bu osilatörle başlamak ilginç olacaktır. Bu nedenle, başlangıçta sentezleyiciden ayrılacağı için, şimdilik (osilatörü ve "tamponu" test ederken) varikap diyotların veya varaktörlerin, bu durumda BB809'un (veya BB405, BB109, vb.) lehimlenmemesi gerekir, çünkü aksi takdirde, başlangıçta sentezleyiciden gelecek AFC'den mahrum kalacakları için, modülasyonda güçlü 60 Hz uğultulara ek olarak, osilatörde yüksek kararsızlığa neden olurlar, çünkü, doğrudan voltaj ters polarize edilmediği sürece, harici elektrik sinyallerine karşı savunmasızdırlar, ayrıca, bu koşullarda, birkaç pF'lik "rastgele" kapasitörler gibi davranırlar, bu da VCO'nun LC rezonans devresinde neden olacakları frekans kararsızlığını haklı çıkarır.
Dolayısıyla, PLL tarafından stabilize edilmemiş olsa da, VCO'nun başlangıçta yalnızca belirli bir stabiliteye sahip, uğultu ve/veya beyaz gürültüden arınmış temiz bir sinyale sahip bir taşıyıcı üretmesi gerekir. Bunu yapmak için, baskılı devre kartının boyutlarına göre uygun şekilde kesilebilen toz süt kutularından dikdörtgen metal kalkanlarla bir "Farad kafesi" içine monte edilmesi ve etrafına lehimlenmesi gerekir (çünkü "düzeninde", dünyanın "sıfır volt" hattının etrafından geçmesi gerekir ve bu amaçla, kalın izlerle dört tarafına çizilmesi gerekir). Eğer fiberglass'tan yapılmışsa en iyi seçenek olacaktır; Ancak cihaz son derece güvenilir ve stabil olduğundan fenolik bir plaka üzerine montajı da mümkündür ve düzgün çalışmasını engellemez.
PLL, VCO kararsızlıklarından (sıcaklık, voltaj, bağıl nem, cihazın bulunduğu metal kasanın kapasitansları vb.'deki değişikliklerden kaynaklanan) kaynaklanan frekans ve faz sapmalarını telafi ettiğinden, rezonans LC devresinde örneğin seramik gibi herhangi bir kaliteli kapasitör kullanılabilir. Ancak mümkünse, ortamdaki sıcaklık ve nem değişimlerine karşı daha fazla kararlılık ve kapasitans hassasiyeti göstermeleri (PLL AFC'nin telafi edeceği) ve taşıyıcıya daha düşük beyaz gürültü sağlamaları nedeniyle negatif sıcaklık telafisi olanların ("NPO plaka" veya gümüş mika) kullanılması önerilir. Bu nedenle, VCO'nun pikofarad kapasitansı için, levha veya mika kapasitörler daha iyidir; bunların arasında, osilatör transistörünün tabanı ile kollektörü arasında 2,2 pF'lik bir tane görülebilir: işlevi, yarı iletkenin sırasıyla girişi ve sinyal çıkışlarından biri olan bu iç elektrotları arasında bulunan 180º'lik fazı "iptal etmektir"; Bu şekilde, taban ile kollektör arasına bağlanan söz konusu kondansatör, transistörün ürettiği zaten düşük olan beyaz gürültüyü büyük oranda azaltır. Geriye kalan nanofaradlardan oluşan kısım ise sıradan seramikler olabilir. 10 veya 16 V için 2200 µF elektrolitik kapasitöre gelince, 9 V regülatörü tarafından ortadan kaldırılmayan tüm VCC dalgalanmalarını ("dalgalanma") filtreler (tüm 78XX'lerde olduğu gibi, bunları 60 dB'de reddeder ve genliklerini 1000 kat azaltır, yani dengesiz jeneratörden gelen her 1 V dalgalanma için, regülatör IC tarafından çalıştırılan devreye yalnızca 1 mV ulaşır), baskılı devre kartıyla aynı hizada lehimlenmemesi önerilir; Bir araya getirdiğim prototiplerde, parazitik endüktansı nedeniyle (100 nF ve 100 pF seramik kapasitörler tarafından ayrıştırılmış olmasına rağmen - ikincisi, osilatörden gelen herhangi bir RF sinyalinin onu çalıştıran +B'ye ulaşmasını önlemek için tasarlanmıştır), söz konusu elektrolitin, 7809 regülatörüyle ve osilatörün kendisiyle olası geri bildirimler nedeniyle düdük benzeri istenmeyen bir gürültü üretebileceğini fark ettim. Ayrıca elektrolitik endüktansın VCO tarafından üretilen taşıyıcıda beyaz gürültüye neden olabileceğini de fark ettim; bu şekilde, uçları osilatör kartının tabanına göre yaklaşık 1 cm yükseklikte olacak şekilde lehimleyin; Ayrıca diğer VCO bileşenlerinden yaklaşık 1,5 cm veya biraz daha fazla uzakta olması önerilir. Bir diğer "ipucu" ise, VCO'nun bileşenleri sabitlemek için kart üzerinde delikler varsa (bu şekilde, bu delikler izole edilmiş kısımda olacaktır ve bakır sadece terminallerini lehimlemekten sorumlu olacaktır), osilatör transistörünün kartın bakır kısmına lehimlenmesidir, çünkü bu VCO'nun kararlılığını büyük ölçüde artırır (henüz PLL'den AFC almadan) ve taşıyıcı gürültüsünü önemli ölçüde azaltır; her durumda, montaj doğrudan kartın bakır yüzeyinde (bu nedenle "SMD" olarak) yapılırsa, davranışı daha iyi olur,Yüksek frekanslı sinyallerle çalıştığı için. Okuyucu, serbest bir osilatör olarak veya PLL ile stabilize edilmiş olsun, VCO'nun, düzgün bir şekilde bir araya getirildiğinde, ticari FM istasyonlarını modülasyon yapmadan ayarladığımızda ve "alıcılarımızın" ses kontrolünü artırdığımızda, onların ürettiğine benzer (ve bazı durumlarda daha üstün) temiz, gürültüsüz bir taşıyıcı üreteceğini fark edecektir. Bunun olmasının nedenlerinden biri de BFR'nin9 0 (veya 91), SHF (6 GHz'lik fT) için tasarlandığından, geçiş frekansından 50 veya hatta 60 (PLL'nin 100 MHz'e yakın frekanslar üretmesi gerekiyorsa) kat daha düşük frekanslı sinyaller üretmek için "kolayca" çalışır.
VCO ilk kez test edildiğinde (ve hatta daha sonra, PLL ile tam çalışma sırasında), üretilen frekansta büyük kaymalar ve her şeyden önce uğultu ve vızıltıları önlemek için, iyi filtrelenmiş, stabilize edilmiş ve toprak terminaline bağlı metal bir kutuya monte edilmiş 12 ila 15 V'luk bir kaynakla besleyin. Elbette PLL ile kötü kaynakların “dalgalanmasından” kaynaklanan frekans sapmaları olmayacaktır, ancak iletimde mutlaka gürültü olacaktır. Dolayısıyla, verici, bu amaç için en iyi doğru akım kaynakları olan araba veya motosiklet aküleri tarafından çalıştırılmıyorsa (içlerinde bulunan yüksek amperajlar ve her şeyden önce, kimyasal jeneratörler oldukları için tamamen gürültüsüz olmaları nedeniyle), güç kaynağının yukarıda belirtildiği gibi iyi filtrelenmiş, sabitlenmiş ve topraklanmış bir metal kutuya monte edilmiş olması önemlidir. Kullanılan LC sabit olduğundan, bir radyo alıcısında (örneğin, bu bantta çalışacak şekilde ayarlanmış bir FM alıcısında) VCO'nun serbest salınımını ayarlayamıyorsanız, radyoda istasyon bulunmayan bir frekansta sinyal alımı elde edene kadar osilatör bobinini dikkatlice sıkabilir veya uzatabilirsiniz. Montajcının bir frekans ölçeri veya osiloskopu varsa, bunları "tampon" çıkışına bağlayarak kullanabilir: bunun için, BF495 veya 494'ün emitörüne 10 ile 100 pF arasında bir kapasitör bağlayın. Osiloskop ekranı, sinüzoidal bir sinyalin varlığını gösterecektir, ancak dengesiz bir periyotla (esas olarak kapasitörlere ve/veya VCO bobinine dokunulursa veya ısı, nem vb. alırsa), çünkü o anda PLL'ye bağlı değildir. Bir frekans ölçer kullanılırsa, izlenen sinyal, özellikle virgül veya noktadan sonraki "yerlerde", ekrandaki rakamlarda süresiz olarak büyük bir değişikliğe sahip olacaktır (PLL, VCO'ya bağlandığında bu gerçekleşmeyecektir: bu durumda frekans, aşağıdaki paragraflarda bahsedeceğim gibi, ekranda tüm rakamlar "sabit" olarak, herhangi bir değişiklik olmadan görünecektir). Dolayısıyla, ne kadar iyi olursa olsun, herhangi bir serbest osilatörün, LC veya RC, herhangi bir kararlılık veya hassasiyete sahip olmaksızın, rastgele frekansta bir alternatif voltaj sinyali ürettiği ve dolayısıyla PLL'ye ihtiyaç duyulduğu açıktır. Salınımlı bobine gelince, bir hava çekirdeğine sahip olacak ve 2 ila 6 tur emaye tel 19'dan (PLL ile üretmek istediğiniz VHF frekans aralığına göre) oluşacak, 6 mm iç çapa ve 1 cm uzunluğa sahip olacak; Tıpkı 2200 µF elektrolitik kondansatörde olduğu gibi, bu bobinin de taşıyıcıda beyaz gürültü oluşumunu önlemek için, uçlarının yaklaşık 7 mm yüksekliğinde olacak şekilde kartın tabanından biraz uzakta olması ilginçtir. Eğer ekipman ticari FM bandında, 87.5 ile 108 MHz arasında kullanılacaksa bu bobin 4 turlu olacaktır. Montajcı isterse, endüktansını daha fazla veya daha az değiştirebilecek şekilde ayarlanabilir bir ferrit çekirdek üzerine inşa edebilir, böylece PLL, VCO'nun istenen frekansı üretmesini sağlar,senkronize ederek; Bu durumda, değişken bobinin, radyo alıcılarındaki IF'lerin "kupalarına" benzer şekilde, osilatör toprağına lehimlenmiş harici bir korumaya sahip olması ilginçtir.
Şemada da görüldüğü gibi, BFR 9 1'in kollektörü, 10 nF seramik kapasitör (veya mümkünse plaka) aracılığıyla ayrıştırılmıştır: toprağa yapılan bu bağlantı, osilatör tarafından üretilen zaten düşük olan beyaz gürültüyü büyük ölçüde azaltır; Ancak, üretilen sinyalin RF genliğini önemli ölçüde zayıflatması gibi bir dezavantajı vardır (bu nedenle söz konusu transistörün emitöründen kaldırılmıştır). Böylece, BF495, VCO aperiyodik izolasyon transistöründen (“tampon”) çıkarıldıktan sonra, daha sonra iletim antenine bağlanmak üzere yoğunlaştırılırsa, uzun menzil için yeterli güç elde etmek veya sonraki yüksek güçlü amplifikatör elemanının uyarılması için, transistörlü, valfli veya VHF için tasarlanmış entegre devre modüllerinden oluşan RF amplifikatör aşamaları yüksek kazançlı ve/veya yüksek sayıda (en az 3 veya 4 amplifikatör devresi) olmalıdır. Dolayısıyla ilk aşamalarda RF genliğinde makul bir kazanç olması gerekir ki, bu modülatör tarafından üretilen küçük sinyal, 50 Ω yüke bağlanmış küçük bir akkor lambayı yakabilecek veya bir wattmetre veya SWR metreyi uyarabilecek kapasitede olsun. Yine “tampon” ile ilgili olarak, bağlandığı RF amplifikatör katıyla uygun empedans uyumu için, ortak kollektör konfigürasyonu (emiter izleyici) seçildi; BF495 kollektörü doğrudan kaynağın +B ucuna, emitör ise devrenin ürettiği VHF sinyalinin çıkışına bağlandı ve bu sinyal aynı zamanda PLL “ön ölçekleyici” entegre devresinin girişini de besleyecek. Not: Ayrı kartlara monte edildikleri için (uygun şekilde “Farad kafesleri” ile ekranlanmış), VCO/“tampon”un RF çıkışı ile PLL’nin (CI DS 8 629, “ön ölçekleyici”) girişi arasındaki bağlantı ve diğeri, PLL faz dedektörünün alçak geçiren filtresinin çıkışı ile VCO’nun girişi arasında var olan (varikap diyotlar BB809 veya VHF veya µHF için BB405, BA102, BB109 vb.), dengesizlikleri (esas olarak senkronizasyon sırasında PLL’nin “kilitlenmesini” önleyecek olanlar), gürültüleri, uğultuları, vızıltıları vb. önlemek için, örgüleri düzgün bir şekilde topraklanmış, kaliteli ekranlı kablolarla yapılmalıdır. Aslında, VCO/“tampon” ve PLL sentezleyici düzenekleri, düdük sesi olmaması için, bilerek iki ayrı ve düzgün bir şekilde ekranlanmış baskılı devre kartı üzerinde bu şekilde yapılmıştır. ve/veya VCO üzerindeki sentezleyicinin CMOS dijital bölücülerinden gelen "titreşim" gürültüleri ve buna karşılık, bunun ürettiği RF'nin bu entegre devrelerin hassas mantık kapılarıyla etkileşime girmemesi, bunların düzensiz mantık seviyelerine ve/veya "eşiklere" yol açmaması ve bunun da PLL'nin kilitlenmesini engellemesi.
Bu verici kartını çalıştıran voltaj regülatörüne gelince, sadece bir uyarı: VCO ve "tampon" birlikte güç kaynağından yaklaşık 20 mA çektiğinden, yüke 1 A'ya kadar akım sağlayabilen bir LM7809 kullanmanın israf olduğunu düşündüm; Bu nedenle prototiplerde daha küçük kasa ve ebatlara sahip olan 78L09'u kullandım, çünkü bu projede herhangi bir ısıtmaya ihtiyaç duymadan çalışıyor. Ancak, pinout'u bunun tam tersidir: LM7809, düzenlenmemiş voltajın +B'sini 1 numaralı pin üzerinden alır ve bunu 3 numaralı pin üzerinden sabitlenmiş şekilde iletir; küçük 78L09 ise tam tersini yapar (girişi 3 numaralı pin, çıkışı ise 1 numaralı pindir). Bu nedenle, aynı kart "düzeni" bu voltaj sabitleyici IC'lerden herhangi birini almak için kullanılabilir, ancak takarken ve lehimlerken birinin diğerine göre "yansıtılmış" olduğunu unutmamak önemlidir; sadece toprağa bağlı olan 2. pin devreye bağlantı açısından onlarla aynıdır.
Elektrik şemasında görüldüğü gibi “tampon”un RF çıkışında DC izolasyon kondansatörü bulunmamaktadır; Bunun nedeni, PLL sentezleyicinin girişinde (DS 8 629 “ön ölçekleyici”nin 7. pini) bu amaç için zaten 1 nF seramik bulunmasıdır. Ancak, bu VHF osilatör/izolatöründen gelen sinyal bir RF amplifikatörüne bağlandığında, BF494/5 emitöründeki DC voltajına (devrenin 9V'undan biraz daha düşük) dikkat edilmelidir: eğer bir sonraki aşama, örneğin, amplifikatör devresi tarafından (kendi dirençli voltaj bölücüsü tarafından) önceden polarize edilmiş bir transistörün tabanı ise, tipik olarak 10 ile 100 pF arasında bir seramik izolasyon kapasitörü takılmalıdır. Ancak, bu sonraki transistörün tabanı hem RF sinyalini hem de onu polarize edecek küçük bir doğru voltajı "önyargı" olarak alacak şekilde tasarlanmışsa, bağlantı yukarıda belirtilen kapasitör olmaksızın doğrudan olmalıdır. Her durumda, RF bağlantısı, iki baskılı devre kartının ekranlarına düzgün bir şekilde topraklanmış örgülerle, iyi kalitede ekranlı veya koaksiyel kablo kullanılarak yapılmalı, böylece bu devrenin bağlanacağı amplifikatöre ulaşmadan önce radyasyona maruz kalmaz (ve dolayısıyla genlik kaybına uğramaz ve/veya ekipmanda kararsızlığa neden olmaz). Baskılı devre kartları arasında koaksiyel kablo (ses veya RF) kullanımına ilişkin bu özen, VCO/“tampon” kartı ile PLL kartı arasındaki bağlantılarda da gözetilmelidir.
Şekil 1: Voltaj kontrollü osilatör (“VCO”) ve RF tamponu; Baskılı devre kartını, devre toprağına lehimlenen bir “Farad kafesi” ile çevreleyerek birleştirin.
2- PLL SENTEZLEYİCİ
Şekil 2’de elektrik şeması görülen synthesizer’da, tampon ve VCO’dan gelen VHF sinyalinin, DC gerilim izolasyonu için 1 nF seramik kapasitör üzerinden, kendisine iletilen frekansı 100’e bölen ve aynı zamanda bir Schmitt tetiği görevi gören National Semiconductor ECL teknolojisi ön ölçekleyicisi olan DS 8 629 IC’nin 7 numaralı pinine bağlandığını görüyoruz, çünkü kendisine ulaşan sinyalin biçimi ne olursa olsun, çıkışı (pin 2) her zaman dijital olacaktır. Bu IC için güç kaynağının 4,5 ile 5,5 V arasında olması gerektiğinden, voltaj regülatörü olarak bir LM7805 regülatörü (veya eşdeğeri) yerleştirildi; böyle bir regülatör iyi bir soğutucuya monte edilmelidir (şemada gösterildiği gibi), çünkü vericinin +B'si ile regülatörün 5 V çıkışı arasındaki voltaj farkının PLL tarafından boşaltılan akımla çarpımı nedeniyle en az 700 mW dağıtır (en az 100 mA, DS 8 629'un tipik tüketimi; diğer PLL IC'leri, CMOS olduklarından, birkaç mA'lik minimum tüketime sahiptirler - üçü birlikte -, böylece sentezleyici tarafından boşaltılan toplam akım yoğunluğu pratik olarak yukarıda belirtilen "ön ölçekleyicide" yoğunlaşır).
Birleştirilen üç prototipin ticari FM bandı için tasarlanması nedeniyle, devrenin nasıl çalıştığını açıklamak için bunları kullanacağız. Böylece, "ön ölçekleyici" 87,5 ile 108 MHz arasındaki analog sinyalleri alacak ve bunları 100'e bölecektir. Örneğin, 102,4 MHz'i ele alalım (elbette, bu frekansın, birincisi, onu "korsan radyo" olarak nitelendirmemek için, ikincisi de ondalık noktadan sonra çift rakam olması nedeniyle, Brezilya'daki ve dünyadaki çoğu ülkedeki FM standardına aykırı olarak, vericiyi çalıştıracak kişinin ikametgahının sınırlarının ötesine yayınlanmaması gerekir): DS 8 629 bunu aldığında, onu 100'e bölecek ve size dijital olarak, 1024 KHz frekansında iletecektir.
Aynı zamanda, HEF4060 osilatör mantık kapısı veya CD 4060 (pinler 10 ila 12), kendisine bağlı aynı frekanstaki kuvars kristali sayesinde yüksek kararlılık ve hassasiyete sahip 4.096 MHz'lik bir dijital sinyal üretir (bu sinyalin varlığını kanıtlamak için, eğer montajcı -benim gibi- bir frekans ölçer veya osiloskopa sahip değilse, 4060'ın 11 numaralı pinine küçük bir parça sert tel lehimleyin ve sinyalini temel frekans olan 4096 kHz'de ve harmoniklerinde, 8192, 16384, vb. veya hatta çok daha düşük genlikte -bu nedenle alıcıya çok yaklaşma ihtiyacı- FM bandındaki harmoniklerde (yirmi ikinci ila yirmi altıncı) alacak olan tropikal veya kısa dalga alıcısında ayarlayın: 90.1, 94.2, 98.3, 102.4 ve 106,5). MHz; eğer mümkünse, bu test için dijital bir FM alıcısı kullanın: eğer osilatör 4096 kHz'i doğru bir şekilde üretiyorsa (ve üretiyor, çünkü 39 pF kapasitörler kristali, kesildiği frekansın tam titreşimine, küçük sapmalar olmadan, ulaştırıyor), radyo alıcısının otomatik dijital ayarını ("tarama") "serbest bırakarak", PLL'si yukarıda belirtilen şu frekanslarda ekranı "durduracaktır": 90.1, 94.2... ve 106.5 MHz; Gerekirse, 4060'ın 11. pininden gelen teli FM alıcı antenine sarın, çünkü bu amaçla, çok daha düşük bir frekanstaki - 4.096 MHz - bir sinyalden kaynaklanan dijital harmoniklerin genliği, bir FM radyo tarafından ayarlanamayacak kadar düşüktür. 4060 IC'de dahili osilatöre ek olarak, aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi her biri bir ikili bölücüye karşılık gelen 10 adet flip-flop da bulunur:
