Как настроить кварцевый фильтр трансивера

Ко мне неоднократно обращались радиолюбители с просьбами поделиться опытом по настройке кварцевых фильтров, но я не спешил с этим, ибо в периодической печати уже опубликовано немало толковых статей на эту тему. Прочитав несколько из них заново, приходишь к выводу, что следует отдать должное труду их авторов и поблагодарить, ибо в каждой статье есть то, после прочтения чего можно сказать: век живи — век учись. Однако, наряду с благодарностью, каждый раз остаются нераскрытыми несколько вопросов.

Часто в статьях встречаешь фразу: «Кварцевый фильтр легче настроить при помощи характериографов (например, X1-38, X-1-48, СК-4-59 и др.). Конечно, если они есть, то настройка фильтра проста. Но это если у вас есть соответствующий прибор, да еще и инструкция к нему. В противном случае слово «просто» быстренько превратится в противоположное ему «трудно». Поэтому в данной статье делается упор на настройку кварцевого фильтра с использованием простейших приборов.

В некоторых статьях опускают информацию о типе настраиваемого фильтра (лестничный, мостовой, монолитный), описывая общие правила настройки. Однако я пришел к выводу, что каждый из них имеет, наряду с общими, еще и свои собственные особенности.

Начнем с настройки фильтра лестничного типа (рис.1).

Puc.1

Опыт показывает, что:

— фильтр получается с лучшими параметрами, если все кварцы имеют как можно более близкие частоты последовательного резонанса (±10 Гц). Однако не стоит расстраиваться, если это условие не выполнимо, ибо неплохой фильтр получается и при разносе частот до 1 кГц [1];

— подбирать кварцы лучше всего включая их в опорном генераторе того устройства, в котором предполагается эксплуатировать этот фильтр, а самый низкочастотный из них использовать непосредственно в опорном генераторе. При этом подстроечные элементы генератора не следует трогать;

— настраивать фильтр следует непосредственно в составе «родного» аппарата;

— если кварцы имеют неодинаковые частоты, их следует располагать в следующей последовательности: наиболее высокочастотный установить первым на входе, а все последующие — поочередно слева направо, по рангу, с понижением частоты;

— емкости следует применять малогабаритные, с минимальным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ) с точностью не хуже ±1,5%. Но не отчаивайтесь, если таковые не найдутся, ибо в процессе настройки их все равно придется подбирать. В большинстве случаев в процессе настройки бывает заменено до 90% емкостей на другие (хотя и близкие) номиналы;

— кварцы лучше использовать фильтровые (взятые, например, из разобранных заводских фильтров).

Так, из четырех фильтров на частоту 10,7 МГц (типа ФП2П-325-10700М-15) можно собрать четыре лестничных восьмикристальных фильтра (в этих фильтрах имеется по четыре пары кварцев с одинаковыми частотами) с разными, но близкими к 10,7 МГц частотами. Обычно так и поступают несколько радиолюбителей (как правило, 4 человека), имеющих по одному фильтру. Самый опытный из них подбирает одинаковые по частоте четыре комплекта кварцев, затем кварцы с минимальным. разбросом оставляет себе, а остальные отдает обратно друзьям (или наоборот?!). С несколько меньшим успехом можно использовать и генераторные кварцы.

В домашних условиях кварцевый фильтр можно настроить тремя способами.

В первом случае следует использовать (кроме настраиваемого аппарата) в качестве вспомогательного прибора другой трансивер с цифровой шкалой, во втором случае — ГСС (генератор стандартных сигналов) и частотомер (с предельной частотой, превышающей хотя бы низшую частоту вашего настраиваемого устройства, например 1,9 МГц). Частотомером измеряют либо частоту ГСС, либо частоту ГПД исследуемого аппарата.

В третьем случае используется кварцевый гетеродин на одну из рабочих частот (либо ГСС, либо другой трансивер без цифровой шкалы), и обязательно наличие цифровой шкалы в настраиваемом аппарате.

Во всех трех случаях на вход настраиваемого аппарата подают ВЧ-сигнал рабочего диапазона. В первых двух случаях медленно изменяют подаваемую частоту в полосе прозрачности кварцевого фильтра, снимая при этом показания S-метра в относительных единицах, и через каждые 200 Гц записывают их в таблицу. Затем, согласно таблице, строят графики (АЧХ). По вертикали откладывают показания S-метра, а по горизонтали — частоту. Соединив проставленные на графике точки интерполяционной (усредняющей) линией, получают АЧХ — амплитудно-частотную характеристику новоиспеченного фильтра.

В третьем случае все проделывают аналогично, только перестраивают по частоте сам настраиваемый аппарат, снимая показания непосредственно с его цифровой шкалы и S-метра одновременно.

При этом «новоиспеченный» фильтр, как правило, имеет:

— иную полосу, чем требуется;

— неравномерность в верхней части АЧХ;

— пологий (а иногда с выбросами) нижний скат АЧХ.

В дальнейшем настройка фильтра ведется по трем вышеуказанным направлениям в порядке очередности.

На первом этапе настройки (грубая настройка) следует получить полосу пропускания фильтра до 2,4 кГц путем поочередной замены емкостей, начиная от входа фильтра, и снятия при этом АЧХ. При этом следует иметь в виду следующее:

— если параллельно кварцам (особенно крайним) установить дополнительные емкости и увеличивать их номинал (до определенного предела), то ширина полосы пропускания фильтра будет уменьшаться. Аналогичный эффект будет наблюдаться и при увеличении емкостей конденсаторов, идущих на корпус. При уменьшении величин этих емкостей будет наблюдаться обратный эффект. Данное свойство используют для сужения полосы пропускания кварцевого фильтра в телеграфном режиме. Таким образом полосу пропускания можно уменьшить до 0,8 кГц. При дальнейшем сужении полосы резко увеличивается затухание фильтра в полосе прозрачности (для получения малого затухания в CW-фильтре следует использовать резонаторы с добротностью, по крайней мере на порядок превышающей добротность фильтра — Прим.ред.);

— величина «горбов» и провалов в верхней части АЧХ (линейность характеристики) будет зависеть не только от величины подбираемых емкостей, но и от величины сопротивления нагрузочных резисторов, установленных на входе и выходе фильтра. При уменьшении их сопроитвления линейность характеристики улучшается, но увеличивается затухание в полосе пропускания фильтра;

— при невозможности получения достаточной крутизны нижнего ската, следует параллельно нагрузочным резисторам установить кварцы, аналогичные используемым в фильтре, при этом из всех имеющихся кварцев следует выбрать наиболее низкочастотный или понизить его частоту путем последовательного включения индуктивности. Подбором количества витков этой индуктивности можно менять крутизну нижнего ската;

— настройку фильтра нужно повторить несколько раз. Если на последнем этапе настройки не удается получить приемлемей АЧХ, необходимо попробовать подогнать частоту последовательного резонанса отдельных кварцев. Для этого последовательно кварцу устанавливают конденсатор, и подборкой этого конденсатора добиваются генерации на частоте остальных кварцев. Если это не поможет (а это может быть при малом разносе между частотами параллельного и последовательного резонансов кварца), следует заменить кварцы.Кварцы в фильтре следует располагать в цепочку, тщательно экранируя вход от выхода. На рис.2 показаны АЧХ КФ приемника «TURBO-TEST», снятые при различных значениях емкостей конденсаторов. —

Puc.2 — Для большей наглядности значения частоты сняты без соблюдения принимаемой боковой полосы и действительного значения ПЧ. На рис.3 показаны АЧХ окончательного варианта настройки фильтра. —

Puc.3

Теперь несколько практических советов по настройке мостового кварцевого фильтра. Такой фильтр показан на рис.4. Катушки L1 и L2 содержат 2х10 витков провода диаметром 0,31 мм, в качестве сердечников использованы ферритовые кольца от фильтра ФП2А-325-10,700 М-15. Ширина полосы пропускания фильтра — 2,6 кГц.

Puc.4

Если у вас изготовлен фильтр на низкие частоты (2. 6 МГц), он обычно получается более узкополосным, чем требуется, а если фильтр на высокие частоты (8. 10 МГц) — слишком широкополосным. В первом случае следует расширить полосу пропускания путем подключения к верхним, либо к нижним (рис.4) кварцам катушек индуктивности, которые следует подобрать экспериментально. Во втором случае, чтобы уменьшить полосу пропускания, необходимо параллельно резонаторам подсоединить подстроечные конденсаторы (аналогично катушкам). Кварцы в фильтре нужно подобрать с точностью до 50 Гц (частота последовательного резонанса), причем частоты всех верхних резонаторов должны быть одинаковыми и отличаться от нижних (также одинаковых) на 2. 3 кГц.

Если в наличии имеются только кварцы на одинаковые частоты, можно изменить частоту кварцев путем стирания посеребренного слоя с кристалла (повысить частоту) или путем заштриховки карандашом (понизить). Но практика показывает, что стабильность параметров такого фильтра с течением времени оставляет желать лучшего.

Более устойчивые результаты дает подгонка частоты путем последовательного включения с кварцем подстроечного конденсатора. После настройки конденсатор желательно заменить на постоянную емкость такой же величины.

При большой ширине полосы пропускания фильтра, в середине его АЧХ может появиться провал (затухание). Следует сказать, что его глубина в значительной мере зависит от сопротивления резисторов R1 и R2. Их величина может быть от сотен ом (при полосе 3 кГц) на частотах 8. 10 МГц до нескольких килоом на более низких частотах и при меньшей полосе пропускания фильтра. При изготовлении мостового фильтра следует большое внимание уделить симметричности его плеч, а также обмоток входящих в него трансформаторов, ну и, конечно, тщательной экранировке входа от выхода. Более подробно о мостовых фильтрах можно прочитать в[2].

1. Гончаренко И. Лестничные фильтры на неодинаковых резонаторах. — Радио, 1992, N1, С. 18.
2. Бунин С.Г, ЯйленкоЛ.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. — К.: Техника, 1984, С.21. 25.

Источник

Настройка кварцевых фильтров

Ф.Шарапов
Радио-Дизайн N 11

В радиолюбительской литературе [1, 2, 3] приводилось несколько методик по настройке кварцевых фильтров. Все они примерно одинаковы и сводятся к предварительному макетированию с целью измерения параметров кварцев и довольно большому объему громоздких математических вычислений. Тем не менее, после монтажа, получаемая амплитуно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра, как правило, весьма далека от желаемой. Очевидно, сказывается разброс параметров элементов фильтра и трудно учитываемых монтажных емкостей. В результате приходится затрачивать много времени на коррекцию АЧХ подбором емкостей фильтра и согласующих резисторов.

Исходя из вышеизложенного, возникла идея отказаться от расчетов вообще. Поскольку, их результаты несовершенны и вместо макетирования ограничиться проверкой работоспособности, собственно, кварцевых резонаторов (для этого достаточно простого генератора на одном транзисторе и осциллографа), а настройку основных параметров фильтра производить, используя конденсаторы переменной емкости (КПБ).

Рис.1 Кварцевые фильтры с «параллельными» емкостями

Стрелками ААи ББ показан второй вариант включения КПЕ. Резисторы R1, R4 (0 . 300 Ом) устанавливаются при наличии больших выбросов на АЧХ. Конденсатор С4* подбирается в пределах от 0 до 30 пФ.

С целью минимизации числа конденсаторов, были выбраны схемы фильтров, содержащие только параллельные емкости, рис.1. Поскольку фильтры симметричны (относительно их входа-выхода), оказалось возможным использовать сдвоенные КПЕ от радиовещательных приемников емкостью 12 — 495 пФ. Кроме этого, понадобится еще один, заранее проградуированный в пФ, односекционный переменный конденсатор.

Настройка фильтра сводится к следующему.

Для настройки может понадобиться прибор для измерения амплитудно-частотных харакеристик Х1-38 или ему подобный. Я же использую осциллограф и самодельную приставку (см. ниже).

Первоначально все конденсаторы устанавливаются в положение, соответствующее емкости 30 . 50 пФ. Контролируя АЧХ фильтра на экране прибора, вращением конденсаторов в небольших пределах, добиваемся требуемой полосы пропускания. Затем, подстройкой переменных резисторов (использовать только безиндукционные, например, СП4-1) на входе и выходе фильтра, стараемся выровнять вершину АЧХ. Приведенные выше операции, повторяются несколько раз до получения желаемой АЧХ.

Далее, вместо каждой отдельной секции КПЕ, припаиваем заранее проградуированный конденсатор, с помощью которого стараемся оптимизировать АЧХ фильтра. По его шкале определяем емкость постоянного конденсатора и производим замену. Таким образом, все секции КПЕ, поочередно, заменяются конденсаторами постоянной емкости. Точно также поступаем с переменными резисторами, которые впоследствии заменим на постоянные.

Окончательная «доводка» фильтра производится непосредственно по месту, например, в трансивере. После установки фильтра в трансивер возможно потребуется коррекция номиналов этих резисторов, при этом, для оптимального согласования фильтра с выходом смесителя и входом УПЧ, ГКЧ и осциллограф необходимо подключать согласно схемы, приведенной на рис.2.

Рис.2 Подключение кварцевого фильтра для окончательной настройки

По описанной методике было изготовлено несколько фильтров. Хочется отметить следующее. Настройка трех или четырех кристальных фильтров при некотором навыке занимает не более часа, однако с 8-ми кристальными фильтрами затраты времени гораздо выше. При этом, попытки предварительной настройки сначала двух отдельных 4-х кристальных фильтров, а затем их состыковка — оказались бесплодны. Малейший разброс их параметров (а это всегда имеет место) приводит к искажению результирующей АЧХ. Интересно также отметить, что теоретически равные емкости (например, С1=СЗ, на рис. 1а; С1=С7; СЗ=С5, на рис.1б) после настройки градуированным КПЕ по оптимальной АЧХ имели заметный разброс.

На мой взгляд, достоинством этой методики, является ее наглядность. На экране прибора хорошо видно каким образом меняется АЧХ фильтра в зависимости от изменения емкости каждого конденсатора. Например, выяснилось, что в отдельных случаях вполне достаточно поменять емкость одного конденсатора (с помощью реле) с тем, чтобы изменить полосу пропускания фильтра без особого ухудшения ее прямоугольности.

Как уже отмечалось выше, для настройки фильтра используется осциллограф С1-77 и переделанная приставка для измерения АЧХ [4].

Почему именно С1-77? Дело в том, что на его боковой стенке имеется разъем, на котором присутствует пилообразное напряжение генератора развертки. Это позволяет упростить саму приставку и исключить из ее схемы генератор пилообразного напряжения (ГПН). Поэтому, отпадает необходимость в дополнительной синхронизации и становится возможным наблюдение стабильной АЧХ при различных длительностях развертки. Очевидно, что можно приспособить и осциллографы других типов, может быть после небольшой доработки.

Поскольку, упрощенная приставка используется только при работе с кварцевыми фильтрами вблизи частоты 8 МГц, то все остальные поддиапазоны из нее были исключены.

Также, в используемой приставке, потребуется немного увеличить выходное напряжение. Для этого достаточно переделать выходной каскад в резонансный. Он должен настраиваться в резонанс каждый раз после того, как к его выходу будет подключаться новый фильтр.

Схема доработанной приставки приводится на рис.3. Из-за вносимых «паразитных» емкостей все соединения между исследуемым фильтром и приставкой следует осуществлять короткими проводниками, длиной не более 10 см.

Рис.3 Приставка к осциллографу для настройки кварцевых фильтров

В.Жалнераускас. Серия статей «Кварцевые фильтры» Журнал «Радио» № 1, 2, 6 1982 г., № 5, 7 1983 г.
С.Бунин, Л.Яйленко «Справочник коротковолновика» изд. «Техника» 1984 г.
В.Дроздов «Коротковолновые трансиверы» изд. «Радио и связь» 1988 г.
Журнал «Радио» №5 1993 г. «Генератор качающейся частоты»

Источник