SCURTĂ INTRODUCERE
Am început construcţia acestui analizor la îndemnul celui care a fost Lascǎr Mihail, YO3CY, de la care am primit multe sfaturi utile şi nu numai. Dacǎ aveai ceva de lǎmurit, "Nenea Mişu", te lua de la "Adam şi Eva" şi dacǎ nu ştiai ceva, îţi punea la dispoziţie documentaţie sǎ înveţi, abia dupǎ aceea trecea la explicaţii. Şi-a dorit mult realizarea unui astfel de aparat şi de aceea m-am simţit obligat sǎ-l termin şi sǎ-l public.
Am citit multe articole despre analizoare, încercând sǎ-mi fac o pǎrere de ansamblu despre problemele specifice ale construcţiei şi punctele lor critice. Recomand celor care vor sǎ-l construiascǎ sǎ citeascǎ literatura de specialitate dedicatǎ ce se poate gǎsi uşor pe net.
În articolul de faţǎ, în prima parte am tradus articolul lui G4PMK în care descrie construcţia unui astfel de analizor, iar în ultima parte (PARTICULARITĂŢI) o sǎ fac referire la modul cum am rezolvat eu anumite probleme.
ANALIZOR DE SPECTRU SIMPLU (SSA)
Acest analizor de spectru simplificat oferǎ performanţe rezonabile în domeniul 1-90 MHz. Este ieftin de construit şi poate utiliza la ieşire, pentru vizualizare, orice osciloscop care are intrare externǎ pentru baleiaj orizontal. Rezoluţia baleiajului orizontal este selectabilǎ în 6 trepte, amplificatorul logaritmic are o dinamicǎ mai bunǎ de 50 dB. S-a prevǎzut şi un montaj de generator intern de marker.
IDEEA ORIGINALĂ
Ideea originalǎ vine de la un articol al lui Al Helfrick K2BLA [1], care descrie un analizor minimal utilizând doar trei integrate. Eu am adǎugat câteva facilitǎţi suplimentare şi nişte circuite proprii în prototipul care deja funcţioneazǎ. Fǎcând anumite corespondenţe între [3], [4], [5] şi proiectul lui "BLA" m-am strecurat pentru a oferi o construcţie optimizatǎ a dispunerii pieselor şi conexiunilor pe plǎcile de circuite. În urma multor încercǎri, folosind bobine gata realizate, şi a optimizǎrii dispunerii pe plǎcile de circuit imprimat, sper sǎ asigur o realizare fǎrǎ bǎtaie de cap.
FUNCŢIONAREA UNUI SSA
Înainte de a trece la descrierea detaliatǎ meritǎ sa revedem necesitatea unui analizor de spectru (SSA) şi cum funcţioneazǎ. În esenţǎ este un receptor superheterodinǎ cu dublǎ schimbare de frecvenţǎ care are ieşirea de S-metru conectatǎ la intrarea Y a unui osciloscop. Dacǎ semnalul "dinte de fierastrǎu" este conectat la intrarea de comandǎ a unui VCO (oscilator comandat în tensiune) care face acordul receptorului şi totodatǎ, la intrarea X a osciloscopului, va apare o imagine a semnalului funcţie de frecvenţǎ. Dacǎ receptorul are un raspuns logaritmic faţǎ de nivelul de intrare, atunci "tǎria" semnalului poate fi cititǎ direct pe ecran, Fig.1.
Fig. 1 Imaginea tipicǎ datǎ de un SSA
Bineînţeles cǎ realitatea este ceva mai complicatǎ şi pot apare imagini deformate în funcţie de selectivitate, limitǎri, oscilaţii parazite. Limitǎrile pot fi eliminate prin menţinerea unui nivel de intrare maxim (în acest caz -20dB) şi folosind un atenuator la intrare pentru nivele mari de semnal. Selectivitatea este obţinutǎ folosind principiul superheterodinei, lucrându-se cu o frecvenţǎ intermediarǎ (IF) mai mare decât frecvenţa de lucru a analizorului, în acest caz 145 MHz, care necesitǎ utilizarea unui filtru elicoidal. În acest caz SSA nu acoperǎ banda de 144 - 146 MHz.
SCHEMA DE PRINCIPIU
Fig 2 descrie blocurile funcţionale ale unui SSA. Dupǎ atenuator, se aflǎ un filtru trece jos (LPF), înainte de prima schimbare de frecvenţǎ. Domeniul de frecvenţǎ de intrare (0 - 90 MHz), este mixat cu frecvenţa datǎ de un oscilator local comandat în tensiune, cu ajutorul unei diode varicap. Frecvenţa oscilatorului local acoperǎ domeniu 145 - 235 MHz şi la ieşirea primului mixer rezultǎ prima frecvenţǎ intermediarǎ de 145 MHz. Acest semnal este "trecut prin filtrul elicoidal (145 MHz) cǎtre al doilea mixer cu oscilatorul lui local unde se obţine a doua frecvenţǎ intermediarǎ de 10.7 MHz.
Fig. 2 Schema blocurilor functionale ale analizorului
Semnalul de 10.7 MHz trece mai departe printr-un filtru de banda ingustǎ, sau de bandǎ largǎ, un amplificator şi un alt filtru de bandǎ largǎ înainte de a intra în amplificatorul logaritmic. Aceasta asigurǎ un semnal curat şi ferm la ieşirea amplificatorului logaritmic, semnal proportional cu logaritmul nivelului de intrare, deci imaginea de pe ecranul pe care se vizualizeazǎ poate fi calibratǎ în dBm. Acest semnal de ieşire numit ieşire video, este aplicat la intrarea Y a osciloscopului.
Celelalte module sunt simple. Generatorul de dinte de fierǎstrǎu (generator de rampǎ) produce o tensiune liniar crescǎtoare în timp care este suprapusǎ peste o componentǎ continuǎ reglabilǎ pentru controlul frecvenţei centrale ce urmeazǎ a fi afişatǎ pe ecran. Pentru cǎ primul oscilator local nu are o comportare liniarǎ tensiune (de intrare) / frecvenţǎ (de ieşire) se trece semnalul dinte de fierǎstrǎu prin circuitul "break-point" care incearcǎ sǎ liniarizeze frecvenţa peste 70-90 MHz. O ieşire a generatorului de dinte de fierǎstrǎu se cupleazǎ la intrarea X a osciloscopului. In schema bloc nu este figurat generatorul de frecvenţe "marker" care este un oscilator simplu pilotat cu cuartz pe frecvenţa de 10 MHz şi un circuit TTL divizor cu 10. Acesta asigurǎ un semnal bogat în armonici aplicat la intrarea analizorului.
DESCRIEREA CIRCUITELOR
Analizorul de spectru este alcǎtuit din trei plǎci de circuit. Prima şi cea mai importantǎ (pretenţioasǎ), placa RF, Fig 3, este foarte apropiatǎ de proiectul original [1]. Semnalul este dirijat de la intrarea analizorului (mufa BNC de panou), printr-un atenuator in trepte (Fig. 5) şi un filtru trece jos (LPF), Fig. 11, cǎtre atenuatorul R1-R2-R3 de la intrarea lui IC1 MC 3356, pin 20. Atenuatorul R1-R2-R3 este calculat sǎ asigure o atenuare de -20 dBm la o impedanţǎ de 50 . Dupǎ aceea semnalul trece cǎtre filtrul trce jos C3-C4-C5-L1 la intrarea primului mixer, pin 20, MC3356. Acest circuit face parte din familia receptoarelor FM similar cu MC 3357, MC 3359 care conţin oscilator local, mixer, amplificator limitator IF şi discriminator.
Integratul MC 3356 este folosit ca receptor monocip FSK şi are cateva facilitǎţi utilizate în SSA. Ampificatorul de IF esle logaritmic, (semnalul de iesire este proporţional cu logaritmul valorii semnalului de intrare), în plus mixerul şi oscilatorul local lucreazǎ panǎ la frecvenţa de 250 MHz. Oscilatorul local (VCO) este pilotat de dioda varicap D1, comandatǎ de generatorul de rampǎ (VCO AMP). Cei doi condensatori C8-C30 sint montati cat mai aproape de anodul lui D1, asigurând o impedanţǎ mica, lucru necesar pentru atingerea unei frecvenţe de oscilaţie cât mai înalte. Adaugându-l pe C30 la unul dintre prototipuri a crescut frecvenţa cu 5 MHz.
Ieşirea de 145 MHz din mixer, IC1a, merge la intrarea filtrului FL1, un filtru elicoidal cu 3 camere produs de TOKO. Ieşirea din filtrul FL1 este direcţionatǎ cǎtre al doilea mixer de unde se obţine a doua frecvenţǎ intermediarǎ de 10,7 MHz cu ajutorul lui IC2, NE602. Al doilea oscilator local este reglat pe o frecvenţǎ de 134.3 MHz, ajustabilǎ din L4-C12-C13. Cei care au citit şi articolul original [1] vor sesiza nişte diferenţe. Valorile date in Fig 3 sunt corecte şi conectarea pinului 6 la VCC împreunǎ cu capacitǎţile este luatǎ din fila de catalog. (şi totuşi la mine nu a mers, am facut oscilatorul EXACT ca în fila de catalog).
Fig. 3 Schema plǎcii de RF
Alegând frecvenţa celui de al doilea oscilator local (134.3 MHz) aproape de prima medie frecvenţǎ (145 MHz) se evitǎ "intrarea" frecvenţei de 21.4 MHz (2X10,7MHz) ca element perturbator. NE602 necesitǎ tensiune de alimentare redusǎ, ca şi IC1b şi aceasta se obţine de la un stabilizator de +5V, IC3. Filtrul cu bandǎ îngustǎ (15kHz) sau largǎ (250kHz), FL2-FL3 sun selectate de releele RL1-RL2 comandate de S1 montat pe panoul frontal.
Dupǎ filtrare semnalul este amplificat de TR1 care lucreazǎ ca amplificator cu curent mare de repaus acasta asigurându-i o stabilitate şi o dinamicǎ bunǎ. Dealtfel etajul nu dǎ o bunǎ adaptare pentru filtre, aceasta fiind un mic dezavantaj. Indepǎrtând C20 obtinem o adaptare mai bunǎ în detrimentul faptului cǎ amplificarea scade cu cca 20dB. Semnalul trece mai departe prin filtrul FL4 la intrarea lui IC1b. Acesta realizeazǎ una dintre cele mai grale munci din analizor, furnizeazǎ la ieşire o tensiune continuǎ proporţionalǎ cu logaritmul valorii tensiunii alternative de la intrare (dar nu-l doare). Se poate calibra sǎ avem la ieşire o indicaţie de 10db/diviziune pentru axa Y a osciloscopului. Ieşirea discriminatorului de FM a lui MC 3356 nu este folositǎ.
GENERATORUL DINTE DE FIERASTRĂU (GENERATOR DE RAMPĂ)
Acest circuit Fig 4, este bazat pe articolul lui Al Hefrick [2] cu câteva modificǎri pentru a fi utilizabil cu VCO-ul folosit aici. S-a folosit amplificatorul 741 deoarece nu este un circuit sofisticat şi sunt suficient de ieftine.
Dintele de fierastrǎu este generat de un timer 555, IC4. Circuitul integrat IC5 împreunǎ cu sursa de curent constant, TR2, sunt controlate de RV1 montat pe panoul frontal. Circuitul 555 furnizeazǎ deasemenea şi un impuls de stingere pentru semnalul video (pe cursa inversǎ). Ieşirea pentru baleiajul osciloscopului se ia de la ieşirea lui IC6, borna SK2. In funcţie de osciloscopul utilizat IC7 poate inversa baleierea pe orizontalǎ. In cazul în care nu se foloseşte capǎtul cald al lui RV2 se deconecteazǎ de la pin 6 IC7 şi se conecteazǎ la R21.
Comutatorul cu 6 poziţii S2, oferǎ posibilitatea alegerii rezoluţiei analizorului de la 10MHz/div pânǎ la 0.05 MHz/div. IC8 este folosit ca amplificator repetor înainte de amplificarea fǎcutǎ de IC9. În acest etaj sunt realizate trei facillitǎţi importante:
- tensiunea variabilǎ a rampei sǎ permitǎ variaţia calibratǎ a excursiei de frecvenţǎ;
- o ajustare a tensiunii continue la ieşire cu ajutorul potenţiometrului multiturǎ de 10k, RV4 (brut) şi a lui RV5 (fin) pentru aducerea frecvenţei centrale la mijlocul ecranului osciloscopului;
- o compensare a neliniaritǎţii rampei şi/sau al rǎspunsului diodei varicap (break-point) cu ajutorul lui RV6-D3-R33. Asigurǎ în acest fel linearitatea de la 70 MHz în sus.
Fig. 4 Generatorul de rampǎ şi amplificatorul video
Amplificatorul video este realizat cu IC11 asigurǎ o amplificare nu prea mare şi împreunǎ cu IC10 realizeazǎ stingerea spotului în timpul cursei inverse. Condensatorul C37 comutabil cu S3, în paralel cu rezistenţa de reacţie R41 face sǎ disparǎ zgomotul (iarba) din partea de jos a imaginii de pe ecran. Cu ajutorul lui RV7 (Y cal) se face ajustarea pe Y pentru o deflexie de 100 mV/ 10 dB semnal RF la intrare.
GENERATORUL DE MARKER
A treia placǎ este generatorul de marker şi sursa de alimentare Fig 5.
Fig. 5 Generator de marker, sursa de alimentare şi atenuatorul de intrare
Este, de fapt, un oscilator cu cu cuartz de 10 MHz şi un divizor cu 10 pentru a obţine markeri de 10 MHz respectiv 1 MHz. Sursa de alimentare nu pune probleme deosebite.
REALIZARE
Placa de RF este realizatǎ pe un cablaj dublu placat, una dintre feţe este folositǎ ca plan de masǎ. Amplasarea componentelor cu detaliile de gǎurire sunt prezentate în Fig 6.
Fig. 6 Placa RF vedere dinspre faţa cu piese.
Gǎurile care nu au conexiune la masǎ trebuiesc curǎţate împrejur cu un spiral de 6-8 mm pentru a evita scurtcircuitǎrile nedorite. Acest lucru este obligatoriu pentru filtre şi T1-T2. Este bine ca pinii componentelor care sunt conectaţi la masǎ sǎ fie sudaţi pe ambele feţe ale plǎcii de cablaj. Se vor practica cateva gǎuri în plus pentru fixarea plǎcilor şi pentru conexiunile externe cu celelalte blocuri funcţionale. Dioda D1 (varicap) se va monta pe partea opusǎ (planul de masǎ), cu conexiuni cât mai scurte şi mai aproape de pin 3 IC1a.
Placa generatorului de rampa şi a amplificatorului video Fig 8, se realizeazǎ pe un cablaj placat pe o singurǎ faţǎ, unde conexiunea LK1 este figuratǎ punctat (pentru cazul cǎ trebuie asigurat baleiajul invers). Rezistenţele R24-R29 se monteazǎ direct pe comutatorul rotativ S2.
Fig. 8 Generatorul de rampǎ şi amplificatorul video
|
Fig. 9 Sursa şi generatorul de markeri
|
Cea de a treia placǎ, sursa de alimentare şi generatorul de markeri se realizeazǎ tot pe un cablaj cu o singurǎ faţǎ placatǎ, Fig 9. Lǎsaţi suficient loc pentru un radiator din aluminiu la sursa de +12V.
Analizorul va construit într-o carcasǎ metalicǎ pentru a fi ecranat de câmpuri electromagnetice parazite. La amplasarea plǎcilor in interior, ţineţi cont cǎ pentru punerea "la punct" trebuie sǎ aveţi acces la reglaje. Atenuatorul de la intrare se realizeazǎ pe un circuit dublu placatva fi bine ecranat şi se va amplasa cât mai aproape de mufa de intrare a aparatului. Pentru reglajul brut al centrului frecvenţei alegeţi un potenţiometru multiturǎ de calitate şi montaţi-i un buton mare pentru o manevrare uşoarǎ.Conexiunile interne de RF se vor realiza cu cablu coaxial subţire RG174. Celelalte conexiuni generatorul de rampǎ, ieşirile X şi Y, legaturile la comutatorul S2 pot fi realizate cu cablu ecranat de audiofrecvenţǎ. Testaţi fiecare placa inainte de a o monta în carcasǎ.
ALINIEREA
Începeţi cu verificarea sursei de alimentare şi a generatorului de markeri, care poate fi testat uşor folosind un receptor sau un osciloscop. Apoi verificaţi generatorul de rampǎ (dinte de fierǎstrǎu) şi amplificatorul video. Verificaţi dacǎ la ieşirea X semnalul este corespunzǎtor (sau trebuie inversat). Verificaţi tensiunea de comandǎ aplicatǎ diodei varicap, pentru oscilatorul comandat în tensiune. Verificaţi frecvenţa de oscilaţie a celui de al doilea mixer. Dacǎ totul este bine, alimentaţi placa RF şi injectaţi un semnal de 145 MHz la intrarea filtrului elicoidal C9-FL1. Cu ieşirea Y conectatǎ la osciloscop, dacǎ totul merge bine, trebuie sa sǎ se obţinǎ o deplasare pe verticalǎ. Reglaţi L4 pentru a obţine un maxim. Conectaţi şi ieşirea X a analizorului la intrarea X a osciloscopului. Din RV2 (Xcal) se ajusteazǎ baleiajul orizontal astfel încât sǎ parcurgǎ tot ecranul şi nu mai mult. La comutatorul S2 alegeţi poziţia 10MHz/div, conectaţi ieşirea Y a analizorului la osciloscop (100mV/div) şi porniţi generatorul de markeri pe 10 MHz.In acest moment se pot vedea pe ecranul osciloscopului câteva "pic-uri". Daca oscilatorul comandat în tensiune este bine reglat unul dintre aceste pic-uri nu dispare la oprirea generatorului de markeri. Acesta reprezintǎ limita inferioarǎ a excursiei de frecvenţǎ (0MHz).
Faza urmatoare a reglajului cere multǎ rǎbdare. Puneţi RV4 (reglajul brut al centrului frecvenţei) intr-o poziţie centralǎ, deşurubaţi miezul lui L2 cam jumǎtate "afarǎ". În aces stadiu se pot vedea câţiva markeri, reacordaţi L4 pentru a obţine amplitudine maximǎ. Se poate întâmpla sǎ constataţi cǎ sunt douǎ puncte în care se obţine maximul şi este normal (amintiţi-va de suma şi diferenţa frecvenţelor amestecate), alegeţi punctul de maxim pentru frecvenţa mai joasǎ (miazul lui L4 introdus mai mult). Pentru un acord corect al bobinei L2 se pot vedea markeri din 10 în 10 MHz pe toata gama de lucru 0 - 90 MHz. Bobina L1 nu necesitǎ reglaje.
Reglaţi RV3 şi RV6 pentru a obţine o liniaritate cât mai bunǎ (markerii egal distanţaţi). Aceste reglaje RV3 şi RV6 interacţioneazǎ, drept pentru care trebuie reluatǎ ajustarea de câteva ori.
Se poate regla şi filtrul FL1 (145 MHz), pentru maxim de amplitudine obţinut pe ecranul osciloscopului. La fel se pot regla T1-T2 ale filtrului de bandǎ îngustǎ pentru a obţine maximul pe ecran şi o forma "curatǎ".
Sǎ trecem la calibrarea amplificatorului logaritmic. Se realizeazǎ utilizând un generator de semnal ci impedanţa de ieşire de 50 ohm conectatǎ la intrarea analizorului. Poziţionaţi "linia" osciloscopului în dreptul liniei de jos a scalei, alegeţi amplificarea lui pe poziţia 100mV/div, Conectaţi generatorul de semnal la intrarea analizorului (atenuatorul nu este cuplat pe nici o treaptǎ), amplitudinea pic-ului sǎ fie de cca 4 diviziuni (reglabil din RV7). Daca se introduce treapta de atenuare de 10 dBm, amplitudinea trebuie sǎ scadǎ cu o diviziune.
Valorile pieselor sint trecute în scheme. O precizare pentru bobine.
Placa RF
L1, L2 TOKO S18, 1,5 spire, cod 301SN0100
L3 4,7 µHRFC TOKO FL4, cod 348LS4R7
L4 TOKO S18, 4,5 spire, cod 301SN0400
T1, T2 TOKO KACS3894A IFT.
O imagine tipica pentru un analizor este cea din Fig 10.
Fig. 10 Un analizor cu o antenǎ cuplatǎ la intrare
[1] A Simple Spectrum Analyser. Al Helfrick, RF Design January 1988 35-37. Details also given in Tehnical Topics, Radio Communicatios, April 1988.
[2] An Inexpensive Spectrum Analyser for the Radio Amateur. A Helfrick, K2BLA, QST November 1985 23-29.
[3] Tehnical Topics, Radio Communications, July 1988.
[4] Tehnical Topics, Radio Communications, August 1988. These notes are very definitely no longer available!
[5] Tehnical Topics, Radio Communications, September 1988.
[6] Tehnical Topics, Radio Communications, November 1988.
PARTICULARITĂŢI
Cam acesta a fost articolul original al lui G4PMK (scuze dacǎ nu am tradus corect). Dacǎ ar fi sǎ-l mai construiesc încǎ odatǎ l-aş realiza modular, deoarece am constatat cǎ oscilatoarele dau "zgomote" multe. Realizându-l modular existǎ posibilitatea de a ecrana fiecare modul.
În primul rând, aticolul original al lui G4PMK nu pomeneşte nimic de filtrul trece jos de la intrare. Am realizat filtrul propus de W7ZOI în celebrul lui articol "Analizorul omului simplu" prezentat in Fig. 11.
Fig. 11 Filtru trece jos
|
Fig. 12 Filtrul trece bandǎ
|
Pentru decuplarea diodei varicap am practicat în placǎ douǎ gǎuri longitudinale cu dimensiunile 1x8 mm de o parte şi de alta a pistei de alimentare cu tensiunea varicap şi am folosit condensatoare disc fara "picioruşe" pe care le-am lipit direct pe placǎ încadrând dioda D1. Nu am folosit BB209 (nu am avut), ci am utilizat BB139, cred cǎ am ceva probleme cu liniaritatea, deci nu recomand, cǎutaţi ceva mai bun.
Am avut probleme cu al doilea oscilator NE602. Nu a vrut sǎ oscileze pânǎ nu am facut oscilatorul ca in fila de catalog a lui NE602.
Cea mai mare provocare este filtrul de 145 MHz, nu cred cǎ aveţi aşa ceva, dar se rezolva. Am facut filtrul propus de YO3DAC/VA3IUL în analizorul lui (http://www.i1wqrlinkradio.com/antype/ch50/chiave22.htm), Iulian Roşu. Bobinele au 5 spire, bobinate cu pas forţat de 2 mm pe un spiral de 8 mm. Am folosit sârmǎ argintatǎ cu diametrul de 0,8 mm. Prizele de intrare şi ieşire sunt la 1,5 - 2 spire de la masǎ. Lucreazǎ foarte bine şi l-am acordat la 120 MHz. Construcţia filtrului trebuie sǎ fie rigidǎ din pdv mecanic şi bine ecranat. Pentru acordul lui am folosit un generator de RF şi un voltmetru electronic cu sondǎ detectoare. Primul oscilator (MC3356) ar trebui sǎ lucreze pânǎ undeva la 120 MHz, iar al doilea la 109.3 MHz pentru a obţine a doua schimbare de frecvenţǎ de 10,7 MHz.
Filtrele de 10,7 MHz nu sunt o problemǎ, cele care se gǎsesc uzual prin magazine au o bandǎ de trecere de cca 200 kHz. Pentru filtrul de bandǎ îngustǎ (15 kHz) cele douǎ transformatoare T1 şi T2 sunt de tipul celor folosite ca medii frecvenţǎ de MF în receptoare, sau folosiţi metoda luiW7ZOI datǎ aici http://w7zoi.net/Early%20SA%20Updates%2010june00.pdf , nu recomand utilizarea filtrelor de 10,7 MHz capsulate (cele mari utilizate în staţiile suedeze de 2 m), pentru ca au banda îngustǎ, de 15 kHz.
Ca sǎ fie treaba completǎ, pentru utilizarea lui trebuie şi un generator de zgomot prezentat în Fig 13.
Fig. 13. Generator de zgomot
Pentru lǎmuriri vǎ stau la dispoziţie pe e-mail sau video, yo3hst@gmail.com.
http://w7zoi.net/Early%20SA%20Updates%2010june00.pdf
http://www.dxzone.com/dx18292/simple-spectrum-analyser.html
http://www.i1wqrlinkradio.com/antype/Spectrum_Analyzer.html
http://www.i1wqrlinkradio.com/antype/ch50/chiave22.htm
- Mitica Luca YO3HST
-
