От детекторного приёмника к супергетеродину. Самодельный радиоконструктор. Часть 3.

                                                                                          Практикум для начинающих.

От длинноволнового приёмника прямого усиления к супергетеродину, работающему в УКВ (FM) диапазоне. 
 1. Радиоприёмник прямого усиления с частотной модуляцией (ЧМ) для линейной радиосвязи.

 2. Супергетеродин с низкой промежуточной частотой для диапазона УКВ (FM).

 3. Супергетеродин УКВ (FM) диапазона с двойным преобразованием частоты.

  Это факультативное занятие, получить на него допуск могут те, кто прошёл первый тур

  и смастерил этот «интересный приёмник  длинноволнового диапазона». На всякий случай приведу его полную схему.
 Вот эта схема.

Рис. 1. Схема приёмника прямого усиления длинноволнового диапазона.

  1.  Сначала сделаем из этой конструкции приёмник с частотной модуляцией для линейной связи.

Изменению подвергнется только амплитудный детектор, он станет частотным детектором, хотя представляет собой разновидность импульсно счётного детектора, как самого простого, поскольку отсутствуют катушки индуктивности. Именно эта разновидность частотного детектора является составной частью микросхем для простых УКВ приёмников с частотной модуляцией, например микросхема TDA7088Т – это приёмник супергетеродинного типа с низкой промежуточной частотой рассчитан на приём радиостанций в УКВ диапазоне (до 115 МГц).

 Вряд ли кого заинтересует приёмник прямого усиления, работающий в режиме ЧМ (FM),  в диапазоне длинных и сверхдлинных волн. Но такие приёмники существуют и служат для линейной связи, которую необходимо осуществить, имея уже готовые провода, например сетевые. Таким образом, коттедж или дачный посёлок можно оборудовать громкой или телефонной связью, используя сетевую проводку. Частотная модуляция, использованная  в радиосвязи, имеет лучшую защиту от помех, по крайней мере, по сравнению с амплитудной модуляцией. Да это видно из графиков. Принимаемый сигнал сжимается по амплитуде в ограничителе, отсекая помехи и паразитную амплитудную модуляцию. Сам импульс укорачивается, но его закон изменения по времени не меняется в процессе приёмо-передачи. Фильтр нижних частот выделяет звуковую частоту из меняющихся последовательностей импульсов. Чем чаще частота колебаний импульсов, тем выше уровень звука, чем реже частота – тем ниже уровень.

Фото 1. диаграммы ЧМ сигнала и его форма после ограничителя. 

Фото 2. ЧМ сигнал после дифференциальной цепочки.

Фото 3.  Восстановление импульсов логичиским элементом.

 На всякий случай я приведу полную схему линейного приёмника прямого усиления с частотной модуляцией для диапазона длинных волн.

Рис. 2.  Импульсносчётный детектор. С =270 пФ.

Рис. 3. Приёмник ЧМ длинноволнового диапазона.

 Для самостоятельного ознакомления приведу ещё несколько схем линейных приёмников и передатчиков из книги  инженера Р. Граф. Книга называется «Электронные схемы, 1300 примеров», перевод с английского.  Издательство «Мир».1989  год.

Фото 4.

Если сделать приёмник и передатчик с частотной модуляцией для диапазонадлинных волн, то высокое качество звучания гарантировано.

 Дальность радиосвязи на этих частотах окажется лучше, чем в УКВ диапазоне при тех же мощностях, а так же больше дальность при использовании частотной модуляции, последнее свойство вытекает из особенностей спектров.  Недостаток – это очень громоздкие антенны.  Короче будет, о чём подумать, если окажетесь на необитаемом острове, и решить каким образом подать сигнал SOS. В статье «Импульсный блок питания из деталей компьютера» есть подсказка, как из этого блока питания сделать передатчик на диапазон длинных волн. Творите, дерзайте, пробуйте и вас услышат, даже на обычный приёмник с АМ модуляцией.

 2. От линейного приёмника к супергетеродину диапазона УКВ (FM)..

 Теперь, чтобы наслаждаться хорошим качеством вещания в диапазонах УКВ (FM), к линейному приёмнику осталось сделать преобразователь частоты, он займёт место магнитной антенны, при этом высокочастотная часть линейного приёмника превратится                               в усилитель промежуточной частоты 175 кГц, с полосой пропускания от 100 до 250 кГц.

 Здесь я приведу схему самого простого преобразователя частоты на транзисторах, только, чтобы его смогли повторить.

Рис. 4. преобразователь 88 - 108 МГц в 175 кГц.

Фото 5. Плата преобразователя.

 Первый транзистор - смеситель, второй - гетеродин, вот и весь преобразователь частоты. С этим преобразователем получится простой приёмник УКВ диапазона. Без усилителя высокой частоты чувствительность приёмника будет около 50 мкВ. Не исключено влияние антенны, её длина, возможно, будет влиять на частоту настройки, поэтому в дальнейшем необходимо поставить каскад усилителя высокой частоты, он улучшит чувствительность и уменьшит влияние антенны. Катушки индуктивности представляют собой 10 витков провода диаметром 0,3, намотанного на оправке 1,5 мм. Катушка L2 имеет отвод от второго витка.

 Когда я подключил преобразователь к приёмнику, раздвигая или сжимая катушку гетеродина, стал настраиваться на радиовещательные станции, то обнаружил, что одни станции работают превосходно, а другие с искажениями. Чувствительность что ли не хватает,  решил я и начал делать УВЧ.  Но с усилителем стало ещё хуже. Наверно приёмник ловит свой же гетеродин, ведь частота входного сигнала и гетеродина рядом, разница между ними 175 кГц (промежуточная частота). На частотах порядка 100 МГц сделать узкополосный контур практически невозможно. Начал экранировать УВЧ, гетеродин, уменьшать его амплитуду. Могли пройти годы, если бы я не вспомнил, что все простые приёмники в этом месте работали аналогичным образом, а сделаны они на однокристальной микросхеме TDA7088Т с низкой промежуточной частотой. В то время ещё никто не думал, что сегодня в городе Москве, диапазон 88 -108 МГц будет весь заполнен радиовещательными станциями, расстояние между которыми 400 кГц, таким образом, получается более 40 передающих частот.

Фото 6.

 Фото 6.  Спектры радиовещательных станций в диапазоне 88 - 108 МГц.
Ближе всего передатчики Останкино ( максимальные амплитуды), меньшие -
улица Казакова, Шаболовка, Балашиха.

 Недостаток супергетеродина это наличие дополнительного зеркального канала, отстоящего на сумму двух промежуточных частот, в нашем случае 350 кГц.

  Во всём виноват преобразователь, по-другому он работать не может. На объяснение потребуются время. Необходимо пройти курс высшей математики, затем приложить её непосредственно к радиотехнике и к теории нелинейных электрических цепей.  Тогда станет понятно, почему под воздействием амплитуды гетеродина и входного сигнала возникают основной канал, он же промежуточный, на частоте (F сигнала +  F гетеродина) и зеркальный канал (F сигнала –  F гетеродина). При настройке на станции будут двигаться сразу два канала приёма с разницей в 350 кГц, то есть 2 станции будут приниматься одновременно, так как будут попадать как в зеркальный, так и в промежуточный канал приёма, мешая друг другу и создавая искажения. Только самая первая радиостанция, в самом начале диапазона, работала превосходно, и неплохо прослушивался сигнал, если в зеркальный канал попадала радиостанция с меньшей мощностью, то есть отдалённая. Подавить мешающий канал, отстоящий на 350 кГц колебательными контурами невозможно.

 Выход один – увеличивать промежуточную частоту, чтобы  легче было подавить зеркальную помеху. В «Тюнере FM для приёмника ретро» я использовал промежуточную частоту 10,7 МГц, это стандартная частота и специально для этой частоты выпускают пьезокерамические фильтры. Теперь зеркальный канал будет отстоять на 21,4 МГц, достаточно далеко и помехи, попадающие в него, теперь легко подавятся колебательными контурами. Перестраиваю гетеродин на 10,7 МГц выше, путём уменьшения конденсатора контура гетеродина или просто раздвигаю катушку, а нагрузкой смесителя теперь служит пьезокерамический фильтр. Дело за УВЧ, усилителем промежуточной частоты (УПЧ), детектором - и приёмник готов. Вот только детектор на импульсах, из предыдущей схемы, на таких высоких частотах работать не будет. Но не всё потеряно, конструктор есть конструктор, и такой детектор можно оставить, если поставить ещё один преобразователь с кварцевой стабилизацией частоты в  гетеродине, выбрав частоту кварца  равной: 10,7 МГц + 175 кГц  = 10, 88 МГц, (точного значения частоты кварца в продаже может не оказаться, тогда нужно выбрать ближайшее верхнее по частоте значение, и на столько же измениться промежуточная частота).
3. Супергетеродин с двойным преобразованием частоты.

 Таким образом, получится приёмник с двойным преобразованием частоты, где за селекцию бороться будут сразу два промежуточных канала (ПЧ1 и ПЧ2),  причём зеркальный канал первого преобразователя будет подавляться резонансным усилителем высокой частоты (УВЧ), а зеркальный канал второго преобразователя будет подавляться узкополосными пьезокерамическими фильтрами  первого промежуточного канала (ПЧ1), настроенного на частоту 10,7 МГц.

Рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема приёмника с двойным преобразованием частоты.
УВЧ - усилитель высокой частоты, настраивается на частоты 88- 108 МГц.
С - смеситель первого преобразователя частоты.
Г 1- гетеродин, настроен на частоты  98,7 - 118,7 МГц.
ПЧ 1 - усилитель промежуточной частоты 10,7 МГц.
С - смеситель второго преобразователя частоты.
Г 2 гетеродин с кварцевой стабилизацией частоты 10,9 или 11 МГц.
ПЧ 2 - усилитель с низкой промежуточной частотой.
 Частотный детектор импульсно-счётного типа.
УНЧ - усилитель низкой частоты

                      Усилитель высокой  частоты для УКВ приёмника. УВЧ. 

                     Каскодная схема включения транзисторов.

Рис. 6. Каскодная схема УВЧ

Фото 7. Каскод УВЧ.

 

 

 Часто на практике применяю именно такое включение транзисторов, где первый транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а второй с общей базой. Классическая схема, обладает большим и устойчивым коэффициентом усиления. Маленькая проходная ёмкость второго транзистора хорошо развязывает взаимовлияние выходных параметров схемы на входные, а это особенно важно, когда усилительный каскад селективный, то есть содержит колебательные контура. Сама настройка такой системы заметно упрощается, а влияние окружающей среды не оказывает сильного воздействия на настроенную резонансную характеристику. Из этого каскада я не пытаюсь выжать всё возможное усиление, оно может оказаться более 20 дБ. Здесь важно, чтобы коэффициент усиления был устойчивым, поэтому его умышленно уменьшаю до 15дБ. Небольшой резистор в эмиттерной цепи, определяющий отрицательную обратную связь, неполное включение катушки индуктивности контура коллектора – все эти мероприятия не только уменьшают коэффициент усиления, делая его устойчивым, но и уменьшают общие шумы усилителя и  проникновения гетеродина в антенну.  Для уменьшения паразитных емкостей монтажа, которые могут способствовать самовозбуждения усилителя важно электронные компоненты по входу транзистора (базы), располагать как можно дальше от электронных компонентов по выходу транзистора (коллектора). Для простоты конструкцию вытягивают в линейку, от входа к выходу, разделяя каскады перегородками, если вытянуть в линейку невозможно. В старых ретро конструкциях перегородки разделяли транзистор, его базу от коллектора. Настройка аналогична, что и в статье «Тюнер FM для приёмника ретро». Для простоты я также не использую варикапы, а настраиваюсь на определённую часть диапазона УКВ.

 Всегда уважаю свободу выбора, поэтому провожу ещё одну схему.

 Неплохие результаты получились

                         с УВЧ, выполненным на полевом транзисторе,

здесь так же можно использовать как связанные, так и одиночные контура. Коэффициент усиления около 15 дБ.                                                         

Рис 7. УВЧ на полевом транзисторе.

Фото 8. УВЧ на полевом транзисторе.

 Усилитель первой  промежуточной частоты. (ПЧ1).

  Проще не видел схем.  Промежуточная частота выбрана 10,7 МГц. Частотную характеристику задают два пьезокерамических фильтра. По уровню 3 дБ - полоса пропускания получилась 240 кГц. Обычно выбираю фильтры с самой широкой полосой, обеспечивая запас при уходе гетеродина. При желании фильтры можно подобрать, для получения минимальной неравномерности частотной характеристики.

 Транзистор компенсирует потери фильтров и добавляет дополнительное усиление в общем тракте приёмника, необходимое для получения хорошей чувствительности. Усиление каскада сильно зависит от питания, время подумать о стабилизаторе напряжения. Один фильтр с усилителем даёт усиление не менее 5 раз. Резистором со звёздочкой можно регулировать общее усиление тракта.                                                                                                                  

Рис.8. ПЧ -10,7 МГц.

Фото 9. ПЧ - 10,7 МГц.

 Неплохо зарекомендовал себя усилитель промежуточной частоты на операционном усилителе. Такая схема выглядит серьёзнее, поскольку обладает более стабильными параметрами, не меняющимися как от изменения напряжения, так и от температуры, обладает отличной линейностью, хорошо развязывает вход от выхода. В  части 1 на этой микросхеме была проба амплитудного детектора для приёмника прямого усиления.

Рис. 9.  ПЧ 10,7 МГц на микросхеме.

                                     Кварцевый гетеродин. (Г2).

Этот гетеродин принадлежит второму преобразователю и его частота выше первой промежуточной частоты 10,7  МГц на величину второй промежуточной частоты, равной 175 кГц. Особенностью данного блока, который имеет частоты ниже принимаемого частотного диапазона, является возможность попадания его высших гармоник в полосу приёма, которые создадут  поражённые точки, уменьшат чувствительность в этих местах, и ухудшат динамический диапазон, создавая биения с несущей частотой приёма.

 Этот блок, а также входные цепи должны иметь хорошую экранировку. Пожалуй, я сделал всё возможное, добившись подавления высших гармоник на 65 дБ.

L 1, L2 – контур, настроенный на первую гармонику кварца.

 L 3, L4 – фильтр нижних частот, с частотой среза выше 11 МГц.

 Этому фильтру помогают два фильтра пробки, выполненные на этих же индуктивностях и подавляющие вторую и третью гармоники кварцевого гетеродина.

Рис. 10.   Гетеродин 11 МГц.

Фото 10.  Гетеродин.

                                   

                                               Смеситель.

Этому гетеродину нужен смеситель и тогда второй преобразователь промежуточной частоты скомплектован. Поскольку гетеродин на кварце получился достаточно хорошо, я наверно каждую деталь подобрал, получив, таким образом, неплохое подавление высших гармоник. Вот и со смесителем решил постараться и сделать его на полевом транзисторе, всё лучше, чем на биполярном, тем более УВЧ на этом транзисторе уже собирал, а сама схема смесителя от УВЧ мало чем отличается, если часть деталей исключить, то добавляется только один резистор.

  

Рис. 11. Смеситель.

  Усиливает такой смеситель в три раза, что составляет 10 дБ.

 Чтобы проверить такой смеситель, а подал на один вход сигнал с гетеродина (Г 2), таким образом, получился второй преобразователь. С измерительного генератора подаю частоту 10,7 МГц, а с выхода снимаю разностный сигнал, равный 10,9 – 10,7 = 0,2 МГц.

 Всегда думал и предполагал, что смесителю на полевом транзисторе нужна большая амплитуда гетеродина, а он у меня всего 100 мВ он выдавал. Повинуясь теории, первоначально на выход гетеродина подключил усилитель на ОУ, аналогично, что усилитель ПЧ1, ограничив усиление по его входу последовательным резистором в 3,6 кОм. Гетеродин стал выдавать 1 вольт, правда подавление высших гармоник ухудшилось и стало 45 дБ. Поэкспериментировав, пришёл к выводу, что усилитель не нужен, 100 мВ вполне достаточно.  

  

 Осталось соединить все квадратики и радиоприёмник готов!

Автомобиль всё дальше и дальше уходил в восточном направлении от Москвы.После Богородска, что в 40 км от окружной автомагистрали, трасса стала спускаться в пойму реки Клязьмы. Громкость звучания уменьшилась щелчком – это автомобильный приёмник настроился на местный ретранслятор УКВ (FM) диапазона, разбавляя интервал между музыкальными треками блоком областной рекламы.  После 100 км пути, когда еловый заснеженный лес вплотную подошёл к дороге, моя любимая музыкальная композиция стала теряться в шумах, я стал давить на кнопки других радиостанций – картина была аналогичной, и только на подъёме дороги приёмник оживал, но чем дальше, тем реже и реже было его пробуждение.  Не менялся только зимний пейзаж за окном, красивый лес будет сопровождать меня ещё долго. Я включил средние волны, уверенно принимаемая радиостанция,  сетовала на запоздалую весну…

 Теперь я понял, почему на мой факультатив, посвященный приёмнику УКВ, никто не заходит. Время заканчивать. Возвращаюсь к всеволновому приёмнику.

                        Продолжение второй части факультатива.

                           Я вернулся и соединил все квадратики!

  И не поверил ушам своим. Как можно описать звучание? Динамичный, сочный, живой, естественный, предельный, разборчивый, мягкий… Короче я заметил разницу в звучании своего приёмника  в сравнении с профессиональным РПУ, аналогичным по выходным характеристикам (двойное преобразование, выходная мощность, частотная характеристика).

   В природе среднестатистическое человеческое ухо различает разницу в уровнях звучания около 6 дБ, что составляет 2 раза. Заранее предвидя, что мне никто не поверит, подключил приборы.  

 На графиках записаны фрагменты музыкальных произведений с радиостанции

 «Радио Джаз». Особенность этого канала  – преобладание композиций с  ограниченным количеством музыкальных инструментов, что позволяет выделить каждый и изучить их путём сравнения. Первоначально по одному тональному сигналу с генератора на приёмниках был установлен одинаковый выходной уровень. На всех фотографиях, приведено два одновременно записавших во времени звучание музыкального инструмента и на всех  -   нижний график - звучание самодельного радиоприёмника.

              Ну, ведь я же говорил, что свой приёмник будет звучать лучше!

Даже невооружённым глазом видно, что при одинаковом статическом сигнале размах больше на нижних графиках, а, следовательно, больше динамический диапазон. Все мелкие детали чётко вырисовываются, и в результате легко отделим каждый инструмент на слух. Отсутствует зашумленность самого звука. Сам синусоидальный сигнал более ровный, поэтому коэффициент нелинейных искажений минимален.

Фото 8

     

Фото 7.

  

Фото 10.

Музыка вырвалась на свободу!   Освободите музыку! Научитесь её слушать!

 Все эти положительные характеристики получились благодаря импульсно-счётному детектору.  Кроме того, его линейная характеристика не ограничивается колебательными контурами, способными расстраиваться от температуры и его полоса пропускания будет определяться полосой пропускания полосовых фильтров первой промежуточной частоты. То есть, если суммарная полоса пьезокерамических фильтров составляет 260 кГц, то приёмник пропустит без искажений девиацию частоты +/- 130 кГц, почти в 2 раза больше спектра радиовещательных передатчиков.

Фото 11.  Макетная плата части приёмника.

                       Несколько слов о полной схеме  приёмника.

  Саму схему, как и сам приёмник можно модернизировать до бесконечности, в этом и заключается творчество. Поэтому, чтобы не быть эгоистом, оставляю возможность для самостоятельной работы.

 Полная схема получится, если соединить вместе  последнюю схему  со схемой приёмника прямого усиления  для линейной связи, исключив магнитную антенну. 

 В испытаниях участвовал усилитель низкой частоты, выполненный на микросхеме МС34119. Его схема включения дана во второй части.

 В первом преобразователе у меня вышел из строя полевой транзистор в смесителе, когда я «выжимал из него сок», поэтому оставил старую схему, чуть доработав гетеродин, добившись ослабления гармоник 35 дБ. Настройка осуществляется изменением напряжения на варикапе.

 Кварц во второй гетеродин я поставил на 11 МГц, у меня такой был, а, следовательно, вторая промежуточная частота получилась 400 кГц, что составило потерю по коэффициенту передачи на 6 дБ, поскольку вторая ПЧ с ростом частоты резко теряет усиление, зато помеха по зеркальному каналу приёма при более высокой частоте  подавляется лучше. Попытка поставить ОУ с высокой граничной частотой не увенчалась успехом, уменьшился динамический диапазон.  Это связано с возбуждением ОУ на СВЧ, всё будет зависеть от качества монтажа.

 Чувствительность получилась 5 мкВ при соотношении сигнала к шуму - 20 дБ. Но это не предел. Реально чувствительность можно довести до 1 мкВ, если добавить резонансный каскад в первое ПЧ.

 Я уже говорил – модернизировать можно до бесконечности.

                                                    Макет приёмника.

В макете приёмника все сигнальные проводники должны быть как можно короче. В качестве заземляющих площадок я использовал лужёную медную ленту.

Провода, соединяющие питание должны припаиваться непосредственно к блокировочным конденсаторам.

Фото 12. Макет приёмника.

Фото 13.  Лампу поставил для куража.

 В прошедший выходной мне сильно повезло, потому что я проводил испытание своего радиоприёмника на даче. Предшествующие дожди сильно подняли траву и рокот газонокосилок соседей, да и моей тоже, скрывали громкость моего приёмника, ведь выбранной музыкальной программой на всех не угодишь. В приёмник я добавил 5-ти ватный УНЧ на микросхеме TDA2003 и загрузил на самодельную звуковую колонку, а УНЧ для наушников оставил, зарезервировав его под линейный выход в надежде, что в дальнейшем подключу его к ламповому усилителю мощности. Испытания прошли успешно, главное, что я остался доволен. За день температура воздуха изменилась на 7 градусов, но настройка осталась на месте. Тайна устойчивой работы гетеродина спрятана в статье «Высокая стабильность бескаркасной катушки». Качество принимаемых радиостанций отличное, полученная чувствительность вполне устраивает меня. Этот приёмник я пока так и оставлю в виде макета, пусть пока поработает, а то дачный импортный музыкальный центр «CROWN» совсем уже никуда не годится. С нетерпением жду следующих выходных слушать под шашлычок музыкальные программы в стиле ретро.

                 А полная схема приёмника на сегодня выглядит так.

Рис. 12.  Схема приёмника.

 Напомню, что эта схема содержит  приёмник прямого усиления для линейной связи, который является составной частью супергетеродина с двойным преобразованием частоты, отдельный усилитель низкой частоты с линейным выходом и усилитель мощности.

 Думаю, что реплики типа:

   - Полный отстой!

 Или.

 - Да здесь всё на одной микросхеме можно сделать!

 Не исключены. От себя скажу, что можно просто купить готовый приёмник.

 Или сделать на одной микросхеме.

Посмотрите ещё «Селга – 405, борьба за чувствительность». и "Тюнер FM для приёмника ретро".