В этой главе мы ближе познакомимся с различными типами радиоприемников на основе практических конструкций. Некоторые из них уже стали достоянием истории, а другие живут полной жизнью и не собираются «сходить» с дистанции. Любой из описанных далее радиоприемников можно будет взять с собой на дачу, в поход, в турпоездку, не говоря уже об использовании дома.

Надеемся, что эта глава доставит вам массу приятных часов, проведенных с паяльником в руках.

 

Детекторный приемник

Иногда детекторный приемник называют «прадедушкой современных средств связи». Этот вид радиоприемника считается родоначальником радиоприемной техники. Задача выделения сигнала из несущей в детекторном радиоприемнике решается чрезвычайно просто — с помощью всего лишь одного диода. Как мы помним, на заре радиотехники в качестве детекторов использовались кристаллические полупроводники, затем их сменили электронные лампы. Ныне мы смело можем детектировать модулированные колебания полупроводниковым диодом.

Детекторный приемник очень прост в сборке, не нуждается в кропотливой настройке и работает без источника питания — необходимую для работы электрическую энергию он извлекает непосредственно из принимаемой электромагнитной волны. К значительным недостаткам этого приемника относятся низкая чувствительность к принимаемому сигналу, низкая избирательность, возможность принимать только амплитудно-модулированные колебания и малый уровень громкости звука. Поскольку уровень энергии радиоволны очень мал, для громкоговорящего приема сигнал необходимо усиливать. Для повышения уровня принимаемого сигнала используются различные виды усиления, а это уже довольно сложные схемы, содержащие десятки, a то и сотни элементов. С введением усилительных устройств приемник перестает быть детекторным, и мы поговорим об усилении чуть позже.

Перечисленные недостатки не позволяют использовать детекторные приемники для серьезных задач, но на его примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах, совершить первое практическое путешествие в мир радиоволн. Детекторный приемник радовал слушателей в течение примерно двух десятилетий с начала XX в. Его усовершенствовали и улучшали, украшали и дорабатывали.

Придумать что-то новое в детекторном приемнике довольно сложно — все уже придумано, изучено, изготовлено и опробовано. Поэтому мы изготовим классический вариант однодиапазонного детекторного приемника, который при желании может стать двухдиапазонным. Для сборки нам понадобятся: ферритовый стержень марки 400НН или 600НН длиной не менее 100 мм и диаметром 8… 10 мм, три конденсатора с номиналами, указанными на схеме рис. 11.1, полупроводниковый германиевый диод Д9 с любым буквенным индексом, телефонный капсюль с сопротивлением обмотки 1…2 кОм, антенна и заземление.

Если удастся найти воздушный переменный конденсатор типа КПЕ-1 емкостью 9…495 пФ, использовавшийся в промышленных ламповых радиоприемниках, то для настройки на станцию удобнее будет использовать его. Если же такого «старичка» не нашлось — не беда! Настраиваться приемник, правда несколько хуже, будет перемещением ферритового сердечника внутри катушки.

Рис. 11.1. Электрическая схема детекторного приемника

Другой вариант — параллельное включение двух секций малогабаритного конденсатора КПП-2 2х4-270 (4…270 пФ). Подойдут и аналогичные конденсаторы переменной емкости — важно лишь, чтобы их емкость более-менее соответствовала указанной.

Принцип работы приемника очень прост: колебания радиочастоты входят в резонанс с колебательным контуром L1C2, в результате чего их амплитуда возрастает. Нижняя половина колебания «отрезается» диодом VD1. Конденсатор СЗ «сглаживает» высокочастотные пульсации и выделяет огибающую сигнала.

Впрочем, исключение СЗ из схемы, как правило, не приводит к какой бы то ни было потере и без того низкого качества приема.

Вначале изготавливаем катушку индуктивности L1. Для этого на ферритовый сердечник нужно намотать несколько слоев не слишком тонкой бумаги, проклеив ее клеем ПВА, «Момент» или другим аналогичным. Склеивать слои нужно аккуратно, чтобы бумага не приклеилась к сердечнику. После высыхания мы получим каркасов котором ферритовый стержень должен перемещаться свободно. На каркас нужно намотать провод типа ПЭВ, ПЭЛ или ПЭТВ диаметром 0,2…0,3 мм (такие провода в специальной эмалевой изоляции используются для намотки трансформаторов). Наматывать провод на каркас нужно виток к витку (для диапазона СВ, рис. 11.3, а) или «внавал» пятью-шестью секциями с небольшими промежутками (для диапазона ДВ, рис. 11.3, б), не допуская обрывов, скруток (секционированный способ намотки позволяет уменьшить межвитковую емкость внутри самой катушки, что улучшает ее параметры). Обмотка должна «лечь» посередине каркаса. Выводы лучше всего закрепить швейными нитками, после чего обмотку надо пропитать парафином, зафиксировав ее на каркасе. Число витков катушки: 70…80 для приема средневолнового диапазона (СВ) и 300…320 — для длинноволнового диапазона (ДВ). Остальные детали используются в готовом виде.

Рис. 11.3. Конструкция катушки L1 :

а — для приемника СВ диапазона; б — для приема ДВ диапазона

После сборки приемника, например на кусочке картона (рис. 11.4), можно подключить антенну, заземление и капсюль от головных телефонов (капсюль обязательно нужен высокоомный, с сопротивлением обмотки порядка 1–2 кОм, например типа ТОН-1, ТОН-2, ТГ-1, ТА-4).

Рис. 11.4. Монтаж детекторного приемника

Теперь внимание; вокруг должно быть тихо! Прижмите капсюль к уху и прислушайтесь. Если в вашей местности вещает хотя бы одна радиостанция ДВ или СВ, ее звуки должны прослушиваться. Громкость звучания не будет большой, но и человеческую речь, и музыку различить удастся. Перемещением ферритового сердечника нужно «поймать» максимальную громкость станции. Что мы делаем? Мы меняем резонансную частоту контура с помощью изменения индуктивности катушки L1. Конденсатор С1 ослабляет влияние антенны на колебательный контур. В другом варианте ферритовый сердечник можно оставить на месте, но тогда конденсатор С2 должен стать переменным, как показано на рис. 11.2.

Уникальная особенность детекторного приемника заключается в сохранении его свойств в течение многих лет. Включив свой первый приемник лет через 20 или 30, вы все равно застанете его в работоспособном состоянии. Сломаться в нем нечему! Но, как мы уже говорили, детекторный приемник обладает низкой селективностью, то есть очень плохо выделяет полезный сигнал на фоне мешающих. Чтобы понять, почему у этого приемника столь низкий показатель селективности, обратим внимание на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Спектры, излучаемые радиостанциями, и кривые селективности

Оказывается, любая радиостанция, излучая сигнал в эфир, занимает определенную полосу частот, или, другими словами, спектр частот. Для принятия сигнала без искажений необходимо, чтобы приемник пропускал все частоты спектра, излучаемого полезной радиостанцией, и задерживал частоты спектров мешающих станций. На приведенном рисунке пунктирной линией показана кривая селективности хорошего приемника и селективная кривая приемника детекторного (штрихпунктирная линия), представляющая собой знакомую нам частотную характеристику одиночного колебательного контура. Скаты селективной кривой пересекают спектры мешающих радиостанций, и из-за низкой избирательности одиночного колебательного контура в телефоне детекторного приемника могут прослушиваться звуки нескольких станций одновременно.

Вообще, если быть совсем строгими, селективность детекторного приемника определяется еще и потерями, вносимыми в колебательный контур детектором. Детектор имеет низкое входное сопротивление, поэтому он понижает добротность контура. Чтобы немного повысить селективность, детектор иногда включают в контур не полностью, а делают отвод в процессе намотки катушки и уже к нему подводят вход этого устройства.

Довольно забавный вариант приемника, являющегося переходным вариантом между детекторными и приемниками прямого усиления, с простейшим усилителем, придуманного Ю. Георгиевым, можно испытать на своем садовом участке. Схема приемника приведена на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Приемник для дачного участка

В качестве VT1 подойдет любой германиевый р-n-р транзистор. Еще нужно запастись медной трубкой длиной около полуметра и алюминиевым листом размером примерно с тетрадный лист. Электроды этого гальванического элемента надо закопать во влажный грунт на расстоянии 0,3…0,5 м, на глубине 1 м. Алюминиевый лист нужно предварительно завернуть в синтетическую (например, капроновую) сетку. Намоточные данные катушки L1 — такие же, как и в предыдущем случае.

Несмотря на свою простоту, исключающую какие бы то ни было значительные улучшения качества радиоприема, детекторные приемники все еще увлекают некоторых радиолюбителей. Например, известный радиолюбитель-популяризатор В. Т. Поляков посвятил детекторным радиоприемникам даже отдельную книгу [6], в которой привел разнообразные схемы, отличающиеся повышенной селективностью, повышенной громкостью приема. Желающие смогут эту книгу найти и прочитать. А мы закончим разговор о детекторных приемниках и перейдем к более совершенным практическим конструкциям.

 

Приемник прямого усиления

Превратить детекторный приемник в приемник прямого усиления очень просто — достаточно отключить от него телефон и подать продетектированный сигнал на простейший усилитель низкой частоты (УНЧ), например, изготовленный на одном транзисторе. Громкость сигнала повысится, правда, для этого придется ввести еще источник питания. Селективность такого приемника не станет лучше, но ее можно повысить, во-первых, введя отвод в колебательном контуре, и, во-вторых, включить между детектором и контуром буферный каскад на транзисторе, называемый усилителем радиочастоты (УРЧ). Идеальным вариантом может считаться полевой транзистор, у которого имеется высокое входное сопротивление, и он не будет шунтировать контур, вносить в него дополнительные потери. Однако часто обходились и биполярным транзистором с гораздо более низким входным сопротивлением, частично включая УРЧ в контур или используя катушку связи (что, в принципе, является вариантом неполного включения). По крайней мере, практически все простые транзисторные приемники прямого усиления, серийно выпускавшиеся 50—60-х гг. прошлого века, были построены только на биполярных транзисторах.

Изготовим вначале простейший приемник прямого усиления на основе детекторного приемника. Вообще, если вы не намереваетесь сохранить «для истории» свой детекторный приемник, его можно полностью разобрать и использовать детали вновь. Можно вообще детекторный приемник не разбирать, дополнив его несколькими элементами, расположенными на свободном месте. Но лучше собрать новый приемник из отдельного комплекта деталей, на специальной печатной плате — так интереснее.

Чтобы характеризовать каскады радиоприемников прямого усиления, как-то отличать схемы друг от друга, еще на заре радиотехники было придумано следующее трехбуквенное обозначение. Например, если в описании какого-либо приемника встретится «1-V-1», это означает, что один каскад на транзисторе (электронной лампе) используется в качестве УРЧ, а второй — в качестве УНЧ. Буква «V» — условное обозначение детектора. Приводимые далее две схемы приемников построены по принципу 0-V-1, то есть не имеют каскада УРЧ, а каскад УНЧ — единственный.

Итак, схема приемника прямого усиления на основе детекторного приемника приведена на рис. 11.7, печатная плата — на рис. 11.8, а сборочный чертеж — на рис. 11.9.

Рис. 11.7. Приемник прямого усиления на основе детекторного приемника

Рис. 11.8. Печатная плата

Рис. 11.9. Сборочный чертеж

От описанной ранее она отличается конструкцией катушки L1. Если предполагается использовать приемник для диапазона СВ, необходимо намотать 75 витков провода с отводом от 20 витка (нижний по схеме). Намотка для диапазона СВ должна вестись виток к витку. Если же читатель намерен прослушивать станции, вещающие в диапазоне ДВ, нужно намотать 220 витков провода, разбив примерно на пять намотанных внавал секций. Отвод делается от 50 витка.

Диаметр каркаса, длина и марка, ферритового стержня такие же, как и в детекторном приемнике, провод — ПЭЛ, ПЭВ, ПЭТВ, ПЭЛШО диаметром 0,15…0,3 мм. Переменный конденсатор С2 — воздушный или керамический с максимальной емкостью не менее 240 пФ. Остальные конденсаторы — керамические любого типа, конденсатор СЗ — электролитический типа К50-16, К50-35, К50-68 или другой. В качестве источника питания можно использовать пальчиковую батарейку напряжением 1,5 В.

Транзистор VT1 — КТ315, КТ312 с любым буквенным индексом, диод VD1 — типа Д9 с любым буквенным индексом, переменный конденсатор — типа КПП-2 2х4-270 с включение й одной секцией.

При настройке необходимо подобрать резистор R2 до получения максимальной громкости звука в телефоне В1. Сделать это можно так: вместо резистора R2 впаять подстроечный резистор сопротивлением 330 кОм, включив его реостатом, то есть замкнув средний вывод на один из крайних. Затем, настроив максимальную громкость, выпаять резистор из схемы, измерить сопротивление и впаять на его место постоянный резистор с близким номиналом.

Очень похожий вариант приемника представлен на рис. 11.10, только в нем отсутствует полупроводниковый диод.

Рис. 11.10. Приемник прямого усиления на основе транзисторного детектора

Как же тогда осуществляется детектирование модулированных колебаний?

Очень просто! Взгляните на рис. 11.11.

Рис. 11.11. Принцип работы транзисторного детектора

Транзистор VT1 работает без смещения, а значит, одна полуволна сигнала будет срезана, а другая — усилена. Детектирует колебания эмиттерный переход транзистора. Такой детектор называется коллекторным детектором. Он довольно часто применялся в массовых моделях радиоприемников. Поскольку на выходе колебательного контура L1C2 амплитуда напряжения мала, транзистор VT1 должен быть германиевым, например ГТ308, П416, П422. Сегодня германиевые транзисторы практически не выпускаются, так что, скорее всего, придется разыскивать их в отслужившей старой аппаратуре.

Печатная плата приемника приведена на рис. 11.12, сборочный чертеж — на рис. 11.13.

Рис. 11.12. Печатная плата

Рис. 11.13. Сборочный чертеж

Теперь попробуем отказаться от внешней антенны и заземления. Если вы помните, неплохим вариантом является магнитная антенна, в качестве которой используется сердечник колебательного контура. Сигнал, получаемый с магнитной антенны, невелик, поэтому, во-первых, нужно отказаться от полного включения контура в каскад УРЧ, чтобы не снижать добротность контура, и, во-вторых, ввести хороший многокаскадный УРЧ. Интересный вариант ДВ приемника прямого усиления типа 3-V-1, предлагаемый читателю далее, представляет собой упрощенный вариант схемы И. Александрова.

В схеме рис. 11.14 транзисторы VT1—VT3 — трехкаскадный УРЧ, охваченный отрицательной обратной связью по постоянному току, обеспечивающей стабилизацию режима работы транзисторов.

Рис. 11.14. Приемник 3-V-1

В резонанс с принимаемой волной настраивается контур L1.1, С1, но сигнал снимается не непосредственно с него, а с катушки связи L1.2. Конденсатор С2 — разделительный. Он не позволяет нарушить режим работы УРЧ, связанный с замыканием на общий провод схемы тока через катушку L1.2.

Намоточные данные катушки L1.1 — 220 витков, L1.2 — 40 витков — для диапазона длинных волн. Остальные данные можно взять из предыдущей конструкции. Печатная плата показана на рис. 11.15, сборочный чертеж — на рис. 11.16.

Рис. 11.15. Печатная плата

Рис. 11.16. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Кстати, подумайте, как этот приемник можно настроить на диапазон СВ или вообще сделать двухдиапазонным.

Последний вариант приемника прямого усиления представлен на рис. 11.17.

Рис. 11.17. Приемник 3-V-1 с полевым транзистором на входе УВЧ

Особенностью этой схемы является отсутствие катушки связи и полное включение контура без снижения его добротности. Достигнуто это введением истокового повторителя на полевом транзисторе VT1. Вторая интересная схемотехническая находка — детектор «с удвоением сигнала», построенный на диодах VD1 и VD2. Схема позволяет получить вдвое увеличенный размах напряжения звуковой частоты по сравнению с одиночным диодом. Других особенностей схема не имеет.

Намоточные данные катушки L1 — те же. Питается приемник от батареи «Крона» напряжением 9 В. В качестве VT1 допустимо использовать КЦ302А, КП303В…КП303Е, КП307А, КП307Б.

Печатная плата и сборочный чертеж показаны на рис. 11.18, внешний вид монтажа — на рис. 11.19.

Рис. 11.18. Топология печатной платы и расположение элементов

Рис. 11.19. Внешний вид монтажа

Собственно, вот и все, что мы хотели рассказать о приемниках прямого усиления. Но следует также знать, что существует разновидность схемы, которая называется рефлексным приемником. С ней мы тоже познакомимся.

 

Рефлексный приемник

Это — тоже приемник прямого усиления, только в нем один и тот же каскад используется как для усиления радиочастотных сигналов, так и для усиления сигналов звуковых частот. Рефлексная схема несовершенна, поскольку она не отличается ни высокой избирательностью, ни повышенной чувствительностью к слабым сигналам. Однако рефлексный приемник был популярен, когда радиодетали стоили дорого и приходилось экономить на каждой мелочи.

Схема приемника 1-V-1 на одном транзисторе приведена на рис. 11.20, печатная плата — на рис. 11.21, сборочный чертеж — на рис. 11.22.

Рис. 11.20. Рефлексный приемник

Рис. 11.21. Печатная плата

Рис. 11.22. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Намоточные данные катушки L1.1 нам уже хорошо известны по предыдущей конструкции, а катушка L1.2 должна содержать 25 витков для диапазона ДВ и 8…10 витков — для СВ. Катушку связи лучше намотать на отдельном бумажном колечке, чтобы потом, передвигая его по сердечнику, добиться максимума громкости, минимума искажений звука и максимума селективности.

В схеме режим работы транзистора VT1 выбран таким, чтобы он усиливал высокочастотный сигнал, приходящий с катушки L1.2, который с коллектора поступает на детектор из диодов VD1, VD2. Детектор выполнен по схеме с умножением напряжения. Продетектированный низкочастотный сигнал через цепочку С5, R2, L1.2 возвращается на базу транзистора VT1 и опять усиливается им. Если в схеме возникнет самовозбуждение (характерный писк в телефоне), необходимо в небольших пределах подобрать величину емкости конденсатора С4.

 

Регенеративный приемник

Теперь настало время познакомиться с детищем Эдвина Армстронга образца 1914 г., называемым регенеративным приемником, или регенератором. На слух название этого приемника ассоциируется с генератором гармонических (синусоидальных) колебаний, но на самом деле регенератор не создает колебаний, а работает подобно приемнику прямого усиления, то есть непосредственно усиливает сигнал. Впрочем, есть у регенератора сходство и с усилителем, и с генератором. Это — уже не усилитель, но еще не генератор. Абсурдно? Ничуть!

Давайте разбираться, как такое может быть.

Вспомним характер свободных колебаний в резонансном контуре. Они всегда носят затухающий характер благодаря потерям в контуре. Чем больше потери, тем быстрее колебания затухают. Колебательный контур имеет еще одно интересное свойство: вид его частотной характеристики однозначно связан с временной характеристикой (то есть с характером затухания свободных колебаний), что показано на рис. 11.23.

Рис. 11.23. Зависимость частотных и временных характеристик колебательного контура

Чем медленнее затухают колебания в контуре, тем «Острее» резонансная частотная характеристика. Что можно сделать, чтобы уменьшить потери в контуре? На сегодняшний день существуют пассивные и активные методы повышения добротности. Пассивные методы связаны с уменьшением активного сопротивления катушек индуктивности, применением специальных конденсаторов с воздушным диэлектриком, неполным включением контуров. Пассивные методы, конечно, применяются довольно часто, но они «работают» до определенного предела. Например, одиночный контур с добротностью 200 сделать не так просто, в то время как для надежной отстройки от соседних радиостанций в диапазоне СВ и особенно КВ нужно иметь добротность по крайней мере 1000…1500. Конечно, можно значительно улучшить входной контур радиоприемника, применив несколько колебательных контуров, поставленных один за другим и настроенных по специальной методике.

Сложность изготовления такого приемника многократно возрастет и окажется недоступной для начинающего радиолюбителя.

Но не будем впадать в отчаяние — на помощь придут активные методы повышения добротности контуров. Вслед за изобретателями этих методов мы поразмыслим, как можно повысить добротность с помощью… вынужденных колебаний! Если к колебательному контуру подвести источник внешних колебаний, то в контуре будет постоянно наблюдаться резонанс — внешний источник восполнит потери. Но контур сам служит источником колебаний, поэтому можно с помощью специальной электронной схемы отобрать часть колебательной энергии, усилить ее и вернуть назад в контур, тем самым частично сократив потери.

Если мы будем возвращать в контур больше энергии, чем расходуется на потери, в контуре возникнут незатухающие колебания. Теоретически они продолжатся бесконечно долго, а практически — пока не иссякнет энергия, питающая схему отбора, усиления и возврата колебательной энергии. Так рассуждал изобретатель А. Мейсснер, создавший первый в мире работоспособный генератор незатухающих колебаний на электронной лампе (генератор Мейсснера).

Генератор нам пригодится в дальнейшем, а сейчас он просто мешает — генерация недопустима в приемнике прямого усиления. Однако мы забыли, что сможем вернуть в контур чуть меньше энергии, чем необходимо на полное покрытие потерь. Колебания в таком контуре будут продолжаться дольше, чем в контуре без восполнения потерь, но они все равно рано или поздно закончатся. А теперь еще раз взгляните на рис. 11.23. Мы абсолютно точно можем сказать, что добротность контура повысилась, резонанс в частотной области стал «острее».

Интересно отметить, что таким методом мы сможем и увеличить потери в контуре, сделав резонансную кривую более пологой. Соответственно очень важно правильно подать сигнал обратной связи в контур, чтобы регенерация была возможна. Обратная связь в регенераторе носит положительный характер, то есть собственные колебания и колебания из цепи обратной связи должны складываться, а не вычитаться друг из друга.

Регенеративный прием сегодня скорее достояние истории, это в первую очередь предмет увлекательного радиолюбительского творчества. Серьезная радиоприемная аппаратура и аппаратура связи строятся по другим принципам, и вот почему. Мы уже установили, что при определенных условиях регенератор может превратиться в источник колебаний — положительная обратная связь всегда неустойчива. Поэтому в любой регенератор приходится вводить, ко всем прочим настройкам, еще и регулятор степени регенерации. Настроившись на принимаемую станцию, необходимо отрегулировать этим органом управления сигнал по максимуму громкости, минимуму искажений и отстройке от соседних станций. В дальнейшем приходится иногда подстраивать регенерацию, так как контур с повышенной добротностью чувствительнее ко всякого рода нестабильностям типа изменения температуры окружающей среды, напряжения питания. Практическое применение в профессиональной аппаратуре находит лишь собрат регенератора — сверхрегенератор. О нем мы поговорим позже.

А регенератор, несмотря на массу недостатков, до сих пор популярен у радиолюбителей, подкупая своей чрезвычайной простотой и потрясающей избирательностью, дающейся почти даром. Радиоприемную часть регенератора можно собрать всего на одном (!) транзисторе.

Итак, что собой представляет схема простейшего регенератора? Взглянем на рис. 11.24.

Рис. 11.24. Простейший регенератор (схема Мейсснера )

Сигнал принимает антенна WA, и через катушку La он поступает в основной контур LC, который подключен к сетке и катоду лампы V. Контурные колебания модулируют анодный ток и через катушку связи Lсв, поступают обратно в контур LC. Степень регенерации регулируется связью между Lcв и L, например сближением катушек. При определенной связи между катушками возникают незатухающие колебания и регенератор превращается в чистый генератор колебаний (генератор Мейсснера).

Современный регенератор нелепо собирать на электронной лампе — выручают транзисторы. Да и степень положительной обратной связи при современном уровне развития элементной базы регулировать намного удобнее. Мы будем использовать в качестве регулировки регенерации обыкновенный переменный резистор.

Вы еще не разобрали приемник прямого усиления, в котором используется на входе полевой транзистор (рис. 11.17)? В этом случае вам придется сделать минимум доработок, чтобы превратить приемник в регенератор. Необходимо лишь заменить резистор R2 на переменный (непроволочного типа, например, СПЗ-19) и сделать отвод от катушки L1, как показано на рис. 11.25.

Рис. 11.25. Доработка приемника прямого усиления (рис. 11.17), превращающая его в регенератор

Для диапазона ДВ отвод нужно сделать от 3 витка (началом считать правый по схеме вывод катушки), для диапазона СВ — от 1 витка. Транзистор VT1, как мы знаем, является истоковым повторителем, то есть не переворачивает фазы, а значит, сигнал с резистора R2 складывается с собственными колебаниями в контуре L1, С1, повышая его добротность.

Более сложный вариант регенеративного приемника, рассчитанного на работу в коротковолновых диапазонах, охватывающий частотный участок от 3,5 до 22 МГц, построен на базе американского радиолюбительского набора MFJ-8100, представляющего собой комплект деталей, печатную плату и корпус для самостоятельной сборки регенератора.

Схема этого набора со всеми необходимыми данными неоднократно публиковалась в печати, в том числе и в отечественной, что позволяет собрать и отладить приемник собственными силами.

Схема приемника, приведенная на рис. 11.26, несколько модернизирована по сравнению с оригинальной: добавлен УНЧ на интегральной микросхеме D1 типа К174УН14 (импортный аналог TDA2003). Переключатель SA1 осуществляет коммутацию диапазонов в следующих положениях:

1 — 3,5…4,3 МГц;

2 — 5,9…7,4 МГц;

3 — 9,5…12,0 МГц;

4 — 13,2…16,4 МГц;

5 — 17,5…22,0 МГц.

Рис. 11.26. Регенеративный приемник на базе MFJ-8100

В приемнике нет встроенной магнитной антенны, а значит, необходимо использовать внешнюю (WA1). Подключать заземление необязательно. Предварительное усиление сигнала осуществляется УРЧ на транзисторе VT1, Включенном по схеме с общим затвором. Резистор R1 регулирует степень связи с антенной, поэтому, изготовив и настроив приемник, нужно установить движок этого резистора в такое положение, в котором качество звука наилучшее, и далее уже его не трогать. В оригинальном наборе резистор R1 располагается на задней стенке корпуса.

Колебательный резонансный контур образован катушками L1…L5 и конденсаторами С3, С4. На первый взгляд контур оказывается незамкнутым, но это только на первый взгляд. Замыкается он конденсатором С2. Такая схемная реализация удобна тем, что один из выводов КПЕ СЗ связан с «землей», а значит, будет меньше сказываться влияние собственной емкости тела человека.

Регенеративный узел собран на транзисторах VT2 и VT3. Регулятором «регенерация» в данном случае выступает резистор R8, а резистор R10 задействуется только в процессе настройки. Вращая его, нужно добиться, чтобы по всему «ходу» резистора R8 не возникало возбуждения регенератора или возникало на самом краю «хода». Продетектированный сигнал снимается с резистора R9 и поступает на фильтр и регулятор громкости, собранный на элементах C11, С12, С13, R11, R12. Затем низкочастотный сигнал усиливается микросхемой D1 и преобразуется в звуковой сигнал динамической головкой ВА1 с сопротивлением обмотки 4…8 Ом.

Питание приемника осуществляется от стабилизированного сетевого источника напряжением 9 В. Намоточные данные катушек приведены в табл. 11.1.

Все катушки намотаны виток к витку на каркасах, склеенных из бумаги, диаметром 12 мм. Для намотки используется провод диаметром около 0,5…0,7 мм. Катушка L1 наматывается в два слоя, по 17 витков в слое; катушка L2 — также в 2 слоя (в первом слое 9 витков, во втором — 8), катушки L3, L4, L5 — однослойные. После намотки катушки следует пропитать парафином.

Печатная плата приемника приведена на рис. 11.27, а монтажная схема представлена на рис. 11.28. Проводники, идущие от катушек L1…L5 к переключателю SA1, должны быть минимальной длины. В качестве SA1 удобно использовать галетный переключатель серии ПГК. Неполярные конденсаторы должны быть керамическими, подстроечные резисторы R1, R8, R10 — непроволочными. Вместо транзисторов КП303Е допустимо использовать КП303Г, КП303Д, КП302А, КП364Е или импортный аналог J330.

На этой ноте закончим разговор о регенерации и перейдем к такому интересному техническому открытию, как сверхрегенерация.

Рис. 11.27. Печатная плата

Рис. 11.28. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

 

Сверхрегенератор

В 1922 году Армстронг модифицировал регенеративный радиоприемник и открыл новый способ детектирования сигналов, в котором возможно даже при помощи одиночного каскада достигнуть усиления в миллион раз! Чтобы построить сверхрегенератор, нужно очень мало — ввести регенератор в режим возбуждения, то есть создать в нем собственные колебания. «Но позвольте! — воскликнет читатель. — Чуть выше было сказано, что режим генерации собственных колебаний противопоказан для радиоприема». Все правильно — для режима прямого усиления непрерывная генерация действительно противопоказана. А вот если ввести приемник в режим срыва генерации, когда начавшиеся колебания периодически с не слишком высокой частотой будут срываться и возникать снова, можно наблюдать интереснейшие эффекты. Срыв генерации может осуществлять как дополнительный внешний генератор, так и пассивная цепочка, включенная в регенеративный каскад.

Но не будем торопить события, а вновь рассмотрим схему Мейсснера, несколько ее модифицировав (рис. 11.29).

Рис. 11.29. Схема сверхрегенеративного приемника, основанного на генераторе Мейсснера

Мы ввели в схему источник периодического сигнала с частотой, много меньшей частоты принимаемого сигнала и, соответственно, собственной частоты колебательного контура LC. Пусть сначала сигнал, получаемый антенной, отсутствует. Тогда при положительном полупериоде напряжения G1 схема самовозбуждается и колебания начнут нарастать, а при отрицательном полупериоде — спадать, как показано на рис. 11.30.

Рис. 11.30. Процессы, происходящие в сверхрегенераторе при отсутствии сигнала в антенне

Мы получили пачки импульсов, заполненных колебаниями с частотой, равной собственной частоте контура.

Теперь подадим на антенный вход сигнал. Если входной сигнал будет промодулирован, то начнется изменение анодного тока по закону модуляции, как показано на рис. 11.31.

Рис. 11.31. Изменение анодного тока в сверхрегенераторе под действием внешнего модулированного колебания

Чем больше амплитуда модулированного колебания в данный момент, тем дольше нарастание собственных колебаний. Осталось только сгладить острые пики и получить исходный сигнал.

Интересно отметить, что с помощью сверхрегенеративного каскада можно детектировать не только АМ-колебания, но и колебания ЧМ, немного расстроив входной контур относительно несущей. Тогда ЧМ-колебание на одном из скатов резонансной кривой контура будет преобразовываться в АМ — разные частоты передаются с разной амплитудой. При совпадении частоты настройки контура со средней частотой ЧМ-колебания (при отсутствии модулирующего сигнала) звука на выходе не будет — в окрестности центральной частоты характеристика контура слишком полога.

Сверхрегенераторы сегодня встречаются намного чаще регенеративных схем. Например, любят использовать эту схему авиамоделисты — приемники радиоуправляемых моделей строятся в основном с применением сверхрегенераторов. Также можно увидеть сверхрегенераторы в канале автомобильной сигнализации. Почему они прижились лучше регенераторов? Во-первых, сверхрегенератор не имеет органов управления степенью регенерации — его настраивают один раз: при первоначальной регулировке. Во-вторых, сверхрегенератор чрезвычайно прост. В-третьих, он может отлично принимать цифровые данные, очень напоминающие телеграфный код.

А есть ли недостатки? Их тоже вполне достаточно для того, чтобы в технике радиовещательного приема сверхрегенерация стала лишь теоретически интересной возможностью преобразования радиочастот в звук. Во-первых, сверхрегенератор обладает широкой полосой пропускания, определяющейся добротностью контура, не охваченного обратной связью, — в сверхрегенераторе не работает закон умножения добротности. Из-за этого сверхрегенератор невозможно использовать в диапазоне КВ, так как плотность радиовещательных станций в нем высока. Во-вторых, в отсутствие внешнего сигнала в сверхрегенераторе слышен характерный шипящий «примусный» звук, вызванный тепловым движением электронов. В-третьих, сверхрегенератор сам излучает в окружающее пространство электромагнитные волны и становится источником помех — ведь он генерирует колебания! В-четвертых, качество звука на выходе сверхрегенератора очень низкое, имеет «хрипяще-шипящий» характер, что не позволяет использовать его для высококачественного радиоприема. Но сверхрегенератор с успехом находит применение в технике портативной связи, где не нужно заботиться о качестве звука, важно лишь, чтобы слова были разборчивы. В-пятых, сверхрегенератор очень чувствителен к стабильности напряжения питания.

Если вы не слишком разочаровались в сверхрегенераторе после этих слов, мы предлагаем попробовать сверхрегенеративную схему на практике. Надо сказать, что многие радиолюбители оценивают качество звука сверхрегенеративного приемника как вполне удовлетворительное и достаточное для прослушивания не только речевых, но и музыкальных передач.

Схема первого — простейшего — сверхрегенеративного приемника, рассчитанного на прием станций УКВ-диапазона, приведена на рис. 11.32.

Рис. 11.32. Схема простого сверхрегенератора УКВ диапазона

Антенна WA1 в данном случае может представлять собой отрезок медного провода длиной 0,5…1 м. Чувствительности схемы вполне хватит для приема УКВ-станций на расстоянии до 50…70 км. Антенна с помощью катушки L1.1 индуктивно связана с селективным контуром L1.2—С1. Конденсатор С1 желательно выбрать с воздушным диэлектриком, например 1КПВМ-1, так как керамический вариант прослужит меньше. В крайнем случае допустимо использовать подстроечный керамический конденсатор типа КПК-1, КПК-М, КТ4-23, припаяв к винту настройки медную трубочку подходящего диаметра, как показано на рис. 11.33.

Рис. 11.33. Вариант доработки подстроенного керамического конденсатора

На конец трубочки необходимо насадить диэлектрическую ручку или обернуть ее несколькими слоями изоленты для исключения влияния емкости тела на схему. Конденсатор С2, устанавливающий режим возбуждения сверхрегенератора, можно использовать любого типа и без доработки.

Намоточные данные катушек: L1.1 содержит 9 витков, L1.2–6 витков провода типа ПЭВ-2, ПЭТВ диаметром 0,5 мм, L2 — 25 витков того же провода диаметром 0,2…0,25 мм. Внешний диаметр каркаса катушек составляет 6,5 мм. Телефонный капсюль В1 должен иметь сопротивление порядка 1…2 кОм.

Приемник смонтирован на плате из фольгированного стеклотекстолита (гетинакса). Печатная плата приемника показана на рис. 11.34, сборочный чертеж — на рис. 11.35.

Рис. 11.34. Печатная плата

Рис. 11.35. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Настройка его сводится к установке границ диапазона (64…110 МГц) растяжением и сжатием витков катушки L1.2, а также к установке режима самовозбуждения с помощью конденсатора С2. При правильной настройке в телефоне В1 должен быть слышен равномерный шум в промежутках между станциями. Границы диапазона удобно устанавливать по промышленному радиоприемнику, одновременно прослушивая радиопередачу в том и в другом приемниках. Качество звука можно улучшить, подобрав в небольших пределах сопротивление резистора R1.

Схема второго сверхрегенеративного приемника, приведенная на рис. 11.36, разработана радиолюбителем Ч. Китчиным (позывной в любительском эфире N1TEV) и имеет высокие показатели чувствительности, качества звука.

Рис. 11.36. Сверхрегенератор для приема УКВ ЧМ радиопередач (схема Ч. Китчина )

Приемник используется для приема радиовещательных станций в УКВ диапазоне, но на него можно принимать и узкополосные станции радиолюбителей, работающих в диапазоне 144 МГц. Детектирование осуществляется на одном из скатов резонансной характеристики входного контура. Настроить этот приемник также несложно.

Входной каскад, построенный на основе полевого транзистора с управляющим р-n-переходом VT1, выполнен по схеме с общим затвором. Как мы знаем, такое включение обеспечивает усиление сигнала только по напряжению, имеет низкое входное сопротивление, согласующее каскад с антенной. Высокое выходное сопротивление минимально нагружает контур, в котором осуществляется сверхрегенерация, и способствует повышению его добротности. Катушка индуктивности L1 служит нагрузкой входного усилителя. В данной схеме ее индуктивность составляет 15 мкГн, но номинал может отличаться от указанного в 2–3 раза, так как резонансный эффект здесь не используется.

Сверхрегенеративный детектор собран на транзисторе VT2. Сигнал на него поступает через конденсатор малой емкости — С2. Если не удастся найти такой конденсатор, можно изготовить его самостоятельно, скрутив между собой два проводника диаметром 0,15…0,33 мм из провода ПЭВ-2, ПЭТВ. Длина проводников должна быть порядка 25 мм. Конденсаторы С4, С5 и катушка L2 образуют колебательный контур, настраиваемый конденсатором С4 в резонанс с принимаемым сигналом. Высокочастотная составляющая сигнала резонансного контура замыкается через конденсатор С7. Конденсатор С6 — элемент положительной обратной связи (ПОС). Элементы С8, С9, R2, R4, R5 — цепь автоматического гашения колебаний сверхрегенеративного каскада. Частота гашения устанавливается элементами С8, R4, R5 и может быть подрегулирована резистором R5 при настройке для получения наилучшего качества звука. Элементы R2, С9 обеспечивают форму гасящих импульсов, близкую к синусоидальной (рис. 11.37).

Рис. 11.37. Форма гасящих импульсов в сверхгенераторе Ч. Китчина

Как показывают результаты экспериментов, проведенных разработчиком этой схемы, такая форма импульсов повышает селективные свойства и вносит минимальные искажения в звуковой сигнал. Форму гасящих импульсов нужно устанавливать резистором R2 «на слух». Дроссель L3 не позволяет проникать высокочастотной составляющей генерации на выход детектора. Его величина индуктивности также некритична и в описываемой схеме составляет 15 мкГн.

Цепочка R6, С13 — простейший фильтр низких частот (ФНЧ), выделяющий звуковой сигнал. Резистор R8 — регулятор громкости. На микросхеме DA1 построен УНЧ. Эту схему вы уже встречали по ходу чтения книги. Каких-либо особенностей она не имеет. При желании настроить подходящий уровень громкости в верхнем (по схеме) положении движка резистора R8 нужно подобрать величину R10. Увеличение этого резистора увеличивает общий коэффициент усиления микросхемы.

Очень важный каскад выполнен на, элементах VT3, R3, R7, С10, С11, С12. Как вы помните, степень регенерации в значительной степени зависит от напряжения питания регенеративного каскада. В качественном сверхрегенеративном приемнике необходимо подстраивать степень регенерации, поскольку детектирование осуществляется на одном из скатов резонансной кривой. Чем «круче» будет скат, тем большую громкость звука удастся получить. Однако слишком большая крутизна ската внесет искажения — проявится ее нелинейный характер. Учитывая это, в приемник была введена регулировка регенерации, построенная на основе управляемого источника напряжения на транзисторе VT3. Резистор R7 желательно использовать многооборотный для плавности настройки. Транзистор VT3 включен эмиттерным повторителем.

Особое внимание читателя хочется обратить на катушку L2 (рис. 11.38).

Рис. 11.38. Конструкция катушки L2

Она выполняется без сердечника, способом намотки на оправке диаметром 6 мм. Количество витков провода ПЭВ-2 или ПЭТВ диаметром 0,5 мм — 3,5. После намотки катушку следует растянуть так, чтобы ее длина между крайними выводами составила порядка 25 мм. Середину катушки необходимо зачистить от, лака и припаять к этой точке конденсатор С6. Длину свободных крайних выводов рекомендуется оставить 18 мм. В качестве катушек L1 и L3 можно использовать дроссели серии ДМ или ДПМ, а также импортные аналоги (индуктивностью 10…20 мкГн),

Монтаж приемника лучше всего осуществлять на двухсторонней печатной плате, у которой одна сторона сохранена полностью, а другая — содержит «пятачки» для пайки элементов. Естественно, должны быть просверлены отверстия для «общего проводника», которым выступает полностью сохраненная сторона.

Печатная плата приемника показана на рис. 11.39, сборочный чертеж — на рис. 11.40.

Рис. 11.39. Печатная плата

Рис. 11.40. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Настраивать приемник нужно, предварительно подобрав величину конденсатора С5 до установки границ диапазона УКВ при перестройке конденсатором С4. Звук в этот момент может быть каким угодно. Затем, отрегулировав максимально возможное качество звука резистором R7, резисторами R2 и R5, добиться улучшения качества звука. Приемник настроен. Его можно поместить в подходящий корпус, вывести на переднюю панель оси С4, R7, R8. Катушку L2 желательно максимально удалить от металлических предметов, так как любой металлический предмет влияет на резонансную частоту контура.

 

Приемник прямого преобразования

Этот вид радиоприемников очень популярен у радиолюбителей, ведь при весьма простой реализации он позволяет добиться высоких показателей селективности и чувствительности. Кроме того, приемник прямого преобразования не нуждается в постоянной подстройке уровня регенерации, так как построен он не по принципу прямого усиления сигнала, а с использованием методов частотного преобразования сигналов. Чтобы понять, как работает приемник прямого преобразования, или гетеродинный приемник, как его по-другому называют, обратим внимание на рис. 11.41.

Рис. 11.41. К пояснению работы гетеродинного радиоприемника

Мы опять видим знакомый детекторный приемник, правда, несколько модернизированный. В контур введен генератор гармонического (синусоидального) колебания G, называемый гетеродином. Имеется также нелинейный элемент — полупроводниковый диод VD. Наличие нелинейности — принципиально важный момент для гетеродинного приемника, так как только нелинейный элемент может осуществлять преобразование сигналов. Чтобы показать, как это преобразование осуществляется, заглянем в школьный курс тригонометрии.

Для простоты будем считать, что приемник получает из антенны гармонический сигнал, который математически можно записать так:

где U am — амплитуда сигнала, получаемого из антенны;

f a — частота принимаемого сигнала.

Генератор G создает другой синусоидальный сигнал, который записывается так:

где U Gm — амплитуда сигнала, получаемого от генератора;

f G — частота сигнала генератора.

Оба сигнала, складываясь, воздействуют на нелинейный элемент — полупроводниковый диод — и в результате на конденсаторе С2 выделяется сигнал, который можно записать в виде:

где k — коэффициент пропорциональности, характеризующий качество преобразования.

Замечаем, что выходной сигнал будет содержать как очень высокую частоту — суммарную, складывающуюся из частоты гетеродина и несущей сигнала, так и низкую, состоящую из разности этих частот.

Здесь, чтобы понять процессы., происходящие в гетеродинном приемнике, сделаем небольшое отступление и разберемся в спектрах модулированных колебаний.

Помните, мы не раз уже говорили о том, что любой сигнал можно схематически изобразить как во временной, так и в частотной системах координат. Сейчас вы без труда изобразите синусоидальный сигнал во временной области — это «змейка», колеблющаяся относительно горизонтальной оси.

А вот как выглядит этот же синусоидальный сигнал в частотной области? Удивительно, но — очень просто! Взгляните на рис. 11.42.

Рис. 11.42. Вид синусоидального сигнала в частотной области (спектр)

Сигнал показан вертикальной палочкой, размер которой равен амплитуде сигнала и расположенной на частоте f c — частоте сигнала.

Все довольно просто, когда в электрической цепи мы наблюдаем одиночный синусоидальный сигнал. А если в этой цепи имеется несколько разночастотных синусоидальных сигналов? Рассмотреть их во временной области «в лоб» мы не сможем — увидеть удастся только малопонятное их переплетение. Выручит информация, представленная в частотной области, — спектр сигналов. На рис. 11.43 показан спектр трех синусоидальных сигналов с разными частотами и амплитудами.

Рис. 11.43. Спектр трех синусоидальных сигналов

Примерно так же выглядит распределение сигналов радиостанций в эфире. Чтобы выделить нужный Сигнал на фоне мешающих, нужно «вырезать» его из всего спектра фильтром, роль которого в простейшем случае выполняет одиночный колебательный контур или регенеративный каскад. На рис. 11.44 видно, что с помощью операции селекции частота f 2 будет принята, а соседние частоты — нет.

Рис. 11.44. Выделение нужного сигнала из спектра

Чтобы принять частоту f 1 или f3 нужно перестроить фильтр на желаемую частоту. Из сказанного внимательный читатель может сделать справедливый вывод, что слишком широкая резонансная кривая может захватить и соседние — мешающие — частоты. Значит, нужно делать селективную кривую как можно острее, тогда и качество приемника будет лучше. Все правильно, но до определенного момента. Если читатель не только листал страницы этой главы, лежа на уютном диване, но еще и работал руками, изготавливая и налаживая радиоприемники, он наверняка заметил, что регенеративный приемник не может обеспечить хорошее качество звука при слишком большой степени регенерации, — звук становится неестественным, «бубнящим». Почему?

Действительно, есть смысл повышать добротность резонансного контура при приеме синусоидальных сигналов, что и используется в специальных приборах для изучения спектров сложных сигналов — селективных вольтметрах. Сигнал радиовещательной или связной радиостанции в отсутствие передачи действительно представляет собой в частотной области одиночную вертикальную дискрету. Но слушателю неинтересно принимать высокочастотные сигналы — он хочет слышать звуки. Для этого, как мы уже отлично знаем, сигнал несущей модулируют. И вот здесь картина резко меняется! Допустим сначала для простоты, что модуляция типа AM осуществляется синусоидальным сигналом частоты F, который лежит в звуковой области. Спектр АМ-колебаний в этом случае будет выглядеть так, как показано на рис. 11.45.

Рис. 11.45. Спектр AM колебания при модуляции синусоидальным сигналом с частотой F

Мы увидим дискрету несущей частоты (f 0 ) и еще две составляющие с частотами (f 0 — F ) и (f 0 + F). Эти частоты называются нижней и верхней боковыми полосами спектра АМ-колебания. «А нельзя ли «обрезать» боковые полосы при приеме?» — спросит читатель. Нет, нельзя! Как только мы «забудем» хотя бы про малую толику любой из спектральных составляющих АМ-колебания, мы исказим сигнал во временной области. Поэтому в простых радиоприемниках делают так, чтобы все составляющие принимаемого сигнала попадали в полосу резонансного контура.

Модуляция синусоидальным сигналом звуковой частоты используется в радиотелеграфии. С помощью таких сигналов удобно вести работу «морзянкой». Звуковые же сигналы намного сложнее. Они не повторяются во временной области, содержат множество частот, и при их представлении в частотной области рисовать дискреты уже не получится. Звуковой сигнал имеет непрерывный спектр, показанный на рис. 11.46.

Рис. 11.46. Спектр звуковых сигналов

Более того, вершина этого спектра постоянно «дышит» — меняется ее форма, подобно тому, как прыгают столбики на пульте профессионального звукооператора. Что же делать, как описать такой сигнал, как обеспечить его качественную передачу? Тоже очень просто!

Достаточно обеспечить в передающем устройстве возможность пропускания частот от десятка герц до десятка килогерц, и весь сигнал «уйдет» в эфир.

Структура спектра АМ-колебания, модулированного звуковым сигналом, показана на рис. 11.47.

Рис. 11.47. Спектр АМ-колебания при модуляции звуковым сигналом

Прием такого АМ-колебания сопровождается требованием определенной ширины селективной кривой приемника, как показано на рис. 11.48.

Рис. 11.48. Прием спектра AM колебания

ЧМ-модуляция по своему частотному представлению сложнее AM-модуляции. Мы не будем подробно углубляться в особенности этих спектральных характеристик, скажем лишь, что ЧМ-колебания требуют для своего приема более широкие полосы пропускания входных каскадов радиоприемников. На рис. 11.49 показан спектр ЧМ-колебания при модуляции синусоидальным сигналом.

Рис. 11.49. Спектр ЧМ-колебания, модулированного синусоидальным сигналом F

Как и раньше, мы видим частоту несущей (f 0 ) и две боковые полосы, однако, кроме составляющих (f 0 — F ) и (f 0 + F), появляются и составляющие (f 0 — 2F ), (f 0 — 3F ), (f 0 + 2F), (f 0 + 3F), называемые побочными гармониками. Число побочных гармоник в значительной степени зависит от соотношения максимальной и минимальной частот несущей при модуляции…

Почему в звуковой области совпали верхняя боковая и нижняя боковая полосы? Очень просто: теоретически нижняя боковая полоса попадает в область отрицательных частот, чего, конечно, в реальной жизни не бывает. Поэтому она отображается относительно вертикальной координатной оси, накладывался на верхнюю боковую полосу. Обе боковые полосы идентична друг другу, поэтому теоретически при наложении не должно происходить никаких неприятных эффектов.

Рис. 11.50. Операция переноса спектра в гетеродинном приемнике

Теоретически! А практически неприятные эффекты происходят. Давайте вначале изучим их источник, потом опишем, и в конце разберемся, как с ними бороться. Верхняя боковая и нижняя боковая полосы идеально накладываются друг на друга только в случае полного совпадения частоты несущей и частоты гетеродина, причем такое совпадение, когда равны не только частоты но и одинаковы фазы колебаний. В противном случае ВВП и НБП «разъедутся» так, как показано на рис. 11.51.

Рис. 11.51. Неидеальное положение боковых полос вследствие отличия частоты гетеродина от частоты несущей

При большом расхождении частот может появиться характерный «свист» на частоте, равной разнице между гетеродинной и частотой несущей. При небольшом расхождении свист пропадает, но появятся биения боковых полос, когда сигналы очень близких частот будут то складываться, то вычитаться. Выходной звуковой сигнал окажется вновь промодулированным разностной частотой гетеродина и несущей, в результате — сильно искаженным на слух. Читатель может сразу же предложить способ борьбы с этими эффектами, устанавливая частоту гетеродина, в точности равной частоте несущей. Едва ли такое удастся осуществить в реальных приемниках, так как, во-первых, частота несущей немного меняется вследствие нестабильности задающего генератора передатчика, во-вторых, имеется нестабильность гетеродина (тепловая, по питанию, временная), в-третьих, невозможно совместить фазы независимых сигналов и поддерживать стабильно-фазовое состояние неограниченно долго. Что же делать?

Логика дальнейших размышлений приводит к простому решению: нужно каким-то образом сделать так, чтобы сигнал гетеродина автоматически управлялся — синхронизировался — сигналом несущей, тогда все неприятные эффекты будут исключены. Такой приемник имеет название синхронный гетеродинный приемник. Синхронизировать гетеродинный сигнал можно двумя способами: во-первых, выделив в чистом виде сигнал несущей, усилив его и подав на специальную схему синхронизации, называемую схемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Способ довольно сложный для начинающего радиолюбителя, если собирать приемник без применения интегральных микросхем. Но, к счастью, существует и другой, намного более простой способ синхронизации, связанный с интересным явлением, называемым прямым захватом частоты. Прямой захват частоты тесно связан с упомянутым нами явлением биений близких частот. Сильные сигналы могут влиять на слабые сигналы с близкими частотами таким образом, что через некоторое (непродолжительное) время слабый сигнал будет иметь такую же частоту и фазу, что и сильный сигнал. Синхронный приемник с прямым захватом частоты вполне доступен для изготовления начинающими радиолюбителями, поэтому чуть ниже мы приведем его схему и рекомендации по сборке.

Что еще можно предложить для исключения неприятных эффектов? Есть вариант подавления одной из боковых полос при переносе спектра. Тогда в звуковую область будет попадать только одна полоса и биения частот не проявятся. Данный тип приемников тоже используется радиолюбителями. Он называется однополосным.

Интересный вариант радиолюбительского гетеродинного приемника с прямым захватом частоты для приема УКВ ЧМ станций появился в середине 80-х гг. XX в. Его разработал радиолюбитель А. Захаров из г. Краснодара [1], [2], [3] и усовершенствовал в плане повышения селективности минский радиолюбитель М. Сапожников [4]. В конструкции, приводимой в этой книге (рис. 11.52), за основу взяты идеи именно этих радиолюбителей.

Рис. 11.52. Гетеродинный приемник с прямым захватом частоты

Антенна WA1 представляет собой отрезок медного провода длиной 1,0…1,5 м. Сигнал с антенны через разделительный конденсатор С1 поступает на резонансный контур L1C2, который формирует селективную кривую приемника. Средняя частота этого контура принята равной 70 МГц.

Перестраивать его при перестройке приемника особого смысла нет, так как этот контур широкополосен. Гетеродин приемника построен на транзисторе VT1. Самовозбуждение гетеродина обеспечивается конденсатором С6, представляющим собой элемент обратной связи. Нужная частота возбуждения гетеродина задается резонансным контуром L2, С4, С7, VT2, Читателю, вероятнее всего, непонятно, какую роль выполняет в контуре транзистор VT2, включенный необычно — при соединенных коллекторе и эмиттере. Вспомним, что коллекторный и эмиттерный переходы транзистора представляют собой полупроводниковые диоды. В таком включении транзистор превращается в два диода, соединенных параллельно и смещенных обратно благодаря напряжению, подводимому через резистор R7. Напряжение смещения может регулироваться резистором R8. Зачем? Помните, когда мы рассказывали о таких замечательных элементах, как варикапы, мы упомянули возможность их использования для настройки радиоприемников. В качестве варикапа в радиолюбительских конструкциях вполне можно применять полупроводниковые диоды или транзисторы в диодном включении. Величина барьерной емкости регулируется подачей обратного смещения.

Диод VD1 улучшает селективность приемника, не позволяя мощным помехам прямо детектироваться на эмиттерном переходе транзистора VT1. Конденсатор С4 и резистор R2 представляют собой простейший ФНЧ для выделения звукового сигнала. На транзисторе VT3 построен предварительный усилитель низкой частоты, резистор R9 — регулятор громкости. Транзисторы VT4…VT6 — элементы двухтактного усилителя мощности.

В конструкции приемника неполярные конденсаторы должны быть керамическими любого типа, полярные — также любого типа, например, К50-6, К50-16, К50-29, К50-35, К50-68 или импортные аналоги. Катушка L1 наматывается на оправке диаметром 5 мм проводом типа ПЭВ, ПЭЛ, ПЭТВ. Диаметр провода — 0,5 мм, шаг намотки — 1 мм, количество витков — 5. Отвод сделан от второго (нижнего по схеме) витка. После намотки оправку нужно извлечь.

Катушка L2 состоит из 9 витков того же провода диаметром 0,2…0,3 мм, намотанных на каркас диаметром 6 мм. Подстроечный сердечник катушки L2 нужно изготовить из алюминиевого прутка диаметром 5 мм и длиной 20 мм. Можно нарезать на этом прутке резьбу, шлиц и вворачивать подстроечник в каркас. Динамическая головка ВД1 — типа 0,5ГДШ-4 или 0,25ГДШ-3. Подойдут также динамические головки от головных телефонов отслуживших плееров. Переменные резисторы — любого типа. В качестве резистора R8 желательно использовать многооборотный вариант типа СПЗ-38 или СП5-16, чтобы обеспечить плавность перестройки по диапазону. Питание приемника осуществляется от двух пальчиковых батареек напряжением 1,5 В, соединенных последовательно.

Транзисторы VT1…VT6 могут быть с любым буквенным индексом, вместо диодов КД521 подойдут КД522 с любой буквой.

Печатная плата приемника показана на рис. 11.53, монтажный чертеж — на рис. 11.54.

Рис. 11.53. Печатная плата

Рис. 11.54. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Настройка приемника сводится к установке границ принимаемого диапазона вращением подстроечника катушки L2. Диапазон удобно контролировать по промышленному приемнику. При правильной настройке приемника резистор R8 должен обеспечивать прием всех станций диапазона 64…73 МГц.

В заключение отметим, что все приемники с прямым захватом частоты обладают невысокой стабильностью, и не исключено, что через некоторое время станция «уйдет» — ее нужно будет вновь подстроить резистором R8.

 

Супергетеродинный приемник

Давайте познакомимся и со вторым знаменитым детищем Э. Армстронга, предложенным им еще в 1920 г. — супергетеродинным радиоприемником. «Супергетеродин» — это уже более сложный тип приемника, получивший в наши дни наибольшее распространение. Супергетеродинная схема используется и в профессиональной аппаратуре, и в бытовой технике, производимой промышленностью. Она обладает высокими показателями селективности, чувствительности к слабым сигналам, временной стабильностью, качеством звука.

Вас интересует, чем было вызвано появление такого популярного и сегодня вида радиоприемников? Оказывается, на заре развития радиотехники причиной тому стало несовершенство элементной базы, а точнее — усилительных ламп. Мало того, что они обладали низким коэффициентом усиления, это усиление еще сильно снижалось с увеличением частоты сигнала. Если же ставить много высокочастотных усилительных каскадов, то схема становилась склонна к самовозбуждению из-за емкостных паразитных связей между элементами. То есть проще было усилить сигнал с более низкой (промежуточной) частотой, что и позволяла сделать данная схема, перенося туда спектр полезного модулированного сигнала.

Итак, давайте вместе попытаемся понять основы работы супергетеродинного приемника. Посмотрите на рис. 11.55: сигнал с антенны через усилитель высокой частоты (УВЧ) поступает на смеситель. Роль УВЧ может выполнять транзистор с колебательным контуром. Мы встречали такие схемы в разделе, рассказывающем о приемниках прямого усиления. Другое — профессиональное — название этого узла: преселектор. Роль преселектора, кстати, может выполнять и обычный, перестраиваемый колебательный контур, который мы встречали в детекторном приемнике, если условия приема позволяют отказаться от предварительного усиления. Имеется также гетеродин, сигнал которого подводится к смесителю. Знакомая схема, не правда ли? Мы видели ее в разделе, посвященном гетеродинному приему.

Рис. 11.55. Структура супергетеродинного приемника Э. Армстронга

Взгляните также на рис. 11.56 и убедитесь, что память вас не подвела. На выходе смесителя мы получим разностную и суммарную составляющие частот гетеродина и входного сигнала.

Рис. 11.56. Пояснение принципа работы супергетеродинного радиоприемника

Получается, что «супергетеродин» ничем не отличается от гетеродинного приемника? Зачем тогда «городить огород»? На самом деле отличия последуют после смесителя. Обратите внимание — далее стоит не ФНЧ и телефон, а фильтр промежуточной частоты (ФПЧ). Селективная кривая этого фильтра чем-то напоминает селективную кривую одиночного колебательного контура, но имеет резкие скаты и почти пологую вершину в полосе пропускания. Полоса пропускания этого фильтра лежит в диапазоне, намного превышающем диапазон частот, слышимых человеческим ухом, например около 465 кГц, или 10,7 МГц. Соответственно преобразование спектра происходит для этого частотного диапазона, а не для диапазона звуковых частот. Несущая частота займет значение, например 465 кГц, а боковые полосы расположатся, чуть левее и чуть правее. Затем этот сигнал можно детектировать простейшим амплитудным или частотным детектором, не опасаясь биений спектров НБП и ВБП, усиливать и воспроизводить динамической головкой.

К чему такие сложности? Вспомнив недостатки изготовленных ранее приемников, мы можем сказать, что одиночный входной колебательный контур в условиях плотного радиовещания не обеспечивает необходимой селективности, регенерация контура неустойчива и часто искажает принимаемый сигнал.

Чтобы обеспечить высокие показатели селективности при минимуме искажений сигнала, нужно усложнять входной, контур радиоприемника, делать его многокаскадным. Если вспомнить, что этот контур нужно также перестраивать, задача создания такого узла превращается в очень сложную. Гораздо проще создать неперестраиваемый по частоте селективный узел и все сигналы преобразовывать к этой частоте. Именно здесь и заключается «изюминка» супергетеродинного приемника. Повышая частоту настройки УВЧ, мы одновременно повышаем и частоту гетеродина, а их разность остается постоянной, хорошо, фильтруется УПЧ. В данном случае эта частота называется промежуточной. Таким образом, селективность супергетеродинного приемника формирует не УВЧ, а ФПЧ, и именно к ФПЧ предъявляют жесткие требования (рис. 11.57).

Рис. 11.57. Сравнение характеристик УВЧ и УПЧ

«Нельзя ли сократить преселектор, превратив его в обычный широкополосный усилитель?» — спросит читатель. К сожалению, нельзя. И вот почему. Если УВЧ будет широкополосным или даже обладать недостаточно хорошими селективными свойствами (рис. 11.58), на выходе смесителя, благодаря его свойствам, появится не только преобразованный полезный сигнал (f 1 — f G ), но также и сигнал мешающий (f G — f 2 ), отстоящий от полезного сигнала на удвоенное значение промежуточной частоты.

Рис. 11.58. Зеркальный канал в супергетеродинном приемнике

Что такое мешающий сигнал? Им может быть, например, соседняя радиостанция. Поэтому преселектор должен отсекать лишь зеркальный канал. Более высокие требования к нему предъявлять бессмысленно — они уже предъявлены к ФПЧ. А УВЧ «супергетеродина» состоит обычно из 1–2 колебательных контуров. Супергетеродинный приемник обладает еще рядом недостатков, о которых мы здесь не будем упоминать.

Поговорим теперь о ФПЧ. Если одиночный контур не может обеспечить требуемую селективность, то что делать? На помощь приходят так называемые системы связанных контуров, показанные на рис. 11.59.

При соответствующем выборе его элементов и настройке частотные характеристики этих систем, называемых фильтрами сосредоточенной селекции (ФСС), приобретут характер, показанный на рис. 11.59, а, б, в. Двухконтурные ФСС используются очень редко, наиболее часто можно встретить трехконтурные и четырехконтурные фильтры. Пятиконтурные ФСС в радиоприемной аппаратуре использовать нет смысла — ощутимого прироста качества не получить.

Рис. 11.59, а , б , в . Селективные характеристики ФСС :

а — двухконтурного; б — трехконтурного; в — четырехконтурного

В диапазонах ДВ, СВ, КВ значение промежуточной частоты радиовещательных приемников стандартизовано и составляет: у нас в стране 465 кГц, за рубежном — 455 кГц. Значение ПЧ в УКВ диапазоне — 10,7 МГц. Чем выше частота ПЧ, тем легче бороться с зеркальным каналом.

ФСС, построенные на основе контуров, настраивать трудно, и именно поэтому супергетеродинные приемники до настоящего времени были мало популярны у начинающих. Но сегодня разработаны и активно используются пьезокерамические фильтры (рис. 11.59, г), которые полностью заменяют ФСС. Что представляет собой пьезокерамический ФСС? Это пластинка с тремя выводами — вход, выход, общий контакт. На основе такого фильтра мы и построим супергетеродинный приемник УКВ станций.

Рис. 11.59, г . Селективные характеристики ФСС :

г — пьезокерамического

Внутри пьезокерамического фильтра размещена пластинка из титаната бария или другого вещества, превращающего электрические колебания в механические и наоборот. Важно сказать, что пьезокерамические фильтры обладают существенным недостатком — за границами полосы пропускания они не бесконечно ослабляют сигналы, а пропускают их с ослаблением примерно 50…60 дБ (типичное значение). Этот недостаток чаще всего устраняется включением на входе дополнительного резонансного контура либо последовательным включением нескольких фильтров.

Указанный недостаток устранен в электромеханических фильтрах (ЭМФП). Этот фильтр представляет собой круглый стержень с несколькими утолщениями, на концы которого намотаны катушки. Работает фильтр на основе магнитострикционного эффекта, который напоминает пьезоэлектрический эффект, но связан не с электрическим, а с магнитным воздействием. На одну из катушек подастся сигнал, и магнитное поле вызывает механические колебания в стержне. На его выходе, во второй катушке, образуется ЭДС. Требуемую селективную характеристику формирует конфигурация стержня. Электромеханические фильтры имеют постоянный спад характеристики за полосой пропускания, но из-за внушительных размеров и дорогого изготовления, применяются только в профессиональной связной аппаратуре (рис. 11.59, д).

Идеальная селективная характеристика ФСС показана на рис. 11.59, е). Она имеет идеально плоскую вершину в полосе пропускания и бесконечное затухание за полосой пропускания. Конечно, идеальных фильтров не бывает, и все приведенные реальные конструкции в какой-то мере приближаются к идеалу.

Рис. 11.59. Селективные характеристики ФСС :

д — электромеханического; е — идеального

Классический супергетеродинный приемник трудно изготовить начинающим радиолюбителям — настройка некоторых его элементов сопряжена с массой сложностей, которые под силу преодолеть только людям с опытом. Однако современная элементная база позволяет обойти львиную долю этих сложностей, и мы все же попробуем сделать несложный «супергетеродин» на микросхемах.

Этот приемник построен на импортной микросхеме ТА8164 и предназначен для приема станций УКВ диапазона в отечественном (64…73 МГц) и импортном (88…108 МГц) диапазонах. Переключение диапазонов осуществляется электронным способом. Если читателя устроит радиоприемник на один диапазон, он может не устанавливать некоторых деталей, о которых скажем ниже.

Схема простого супергетеродинного приемника, публикуемая впервые, представлена на рис. 11, 60, а структурная схема — на рис. 11.61.

Рис. 11.60. Супергетеродинный УКВ ЧМ радиоприемник

Рис. 11.61. Структурная схема микросхемы ТА8164

Как утверждает производитель микросхем фирма «Тошиба», чувствительность по входу высокой частоты находится на уровне 4 мкВ, то есть соответствует приемнику высокого класса. Внутри микросхемы имеется как тракт ЧМ, так и тракт AM, но мы не будем работать с амплитудной модуляцией. Итак, сигнал с антенны WA1, представляющей собой любой из вариантов, описанных выше, — полуволновой вибратор, петлевой вибратор, отрезок медного провода длиной 1,0…1,5 м, поступает на вывод I микросхемы DA1. К этому выводу подключен вход преселектора, селективную характеристику которого формирует резонансный контур, подключенный к выводу 15. На схеме рис. 11.60 гетеродинный контур соединен с выводом 13 через разделительный конденсатор С8, отсекающий постоянную составляющую напряжения.

Нагрузкой частотного детектора служит контур L6, С12, добротность которого искусственно снижена резистором R11. Тракт ПЧ имеет внешние выводы 3 и 8, к которым подключен пьезокерамический фильтр Z1 на частоту 10,7 МГц, а также согласующий контур L5, С10 с катушкой связи. Конденсатор С11 — фильтр амплитудного детектора. Далее сигнал через дополнительный ФНЧ R9, С13 поступает на регулятор громкости R10 и с него — на простой УНЧ, который практически ничем не отличается от приведенного в предыдущей конструкции.

Особое внимание читателя хочется обратить на узел переключения диапазонов (S1). Зачем нужно такое построение схемы? Дело в том, что коэффициента перестройки варикапов VD5—VD8 не хватает для одновременного (однодиапазонного) приема 64…108 МГц, поэтому возникла необходимость введения разбивки диапазона на прием от 64 до 73 и от 88 до 108 МГц. Самая простая коммутация может быть выполнена подключением или отключением дополнительного конденсатора в контуры преселектора и гетеродина. Однако намного интереснее реализовать электронное переключение, которое при дальнейшей модернизации приемника можно использовать, чтобы управлять приемником с помощью микроконтроллера [7]. Итак, с помощью транзисторных ключей VT1 и VT2, коммутируемых переключателем S1, к приемнику подключаются катушки L1 и L4 либо — L2 и L3. Емкостной элемент контура преселектора составляют варикапы VD5 и VD6, конденсатор С2, а емкостный элемент контура гетеродина — варикапы VD7 и VD8 и конденсатор С5. Элементы R2, R3, СЗ — цепи подачи напряжения смещения на варикапы. Настройка осуществляется резистором R1.

Переключение катушек осуществляется так. Ток от источника питания через открытый транзистор, например VT1, через катушки L2 и L3, прямо смещенные диоды VD2 и VD3 стекает на общий провод. Закрытый же транзистор VT2 заставляет находиться в обратно смещенном состоянии диоды VD1 и VD4, а значит, катушки L1 и L4 не подключены к контуру. При переключении переключателя S1 в другое положение картина меняется на противоположную.

Приемник питается от напряжения 6 В, источником которого может быть и сетевой блок питания, и гальванические элементы. Неполярные конденсаторы — любые керамические, полярные — любого типа. Важно только, чтобы они не были слишком старыми и вписывались в размеры, отведенные им на печатной плате. Транзисторы могут быть с любым буквенным индексом, но предпочтительнее использовать с индексами «Б» и «Г». Резистор R1 — многооборотный. Диоды VD1—VD4 типа КД409А можно найти в селекторах каналов от старых цветных телевизоров.

Катушки L1 и L2 намотаны на каркасах диаметром 5 мм, виток к витку, проводами ПЭВ, ПЭЛ, ПЭТВ диаметром 0,4…0,5 мм. Количество витков: L1 — 4, L2 — 5. Катушки L3 и L4 — аналогичны, но L3 имеет 6,5 витка, L4 — 5 витков. Во все катушки ввернуты резьбовые подстроечники длиной 6 мм: катушки L1 и L4 имеют подстроечники из латуни, a L2 и L3 — из феррита марки 9ВЧ или 13ВЧ с резьбой М4. Латунные подстроечники можно приобрести, но можно изготовить и самостоятельно, нарезав резьбу на контакте штепсельной вилки; или раздобыть латунные винты любого вида и срезать с них ножовкой шляпку, после чего пропилить шлиц для отвертки.

Печатная плата приведена на рис. 11.62, монтажный чертеж — на рис. 11.63.

Рис. 11.62. Печатная плата

Рис. 11.63. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Катушки L5 и L6 наматываются на унифицированных трех- или четырехсекционных каркасах с внутренним диаметром 3,5 мм. Эти катушки имеют цилиндрические подстроечные сердечники из феррита 100НН. Количество витков: L5.1 — 13, L5.2–2, L6 — 12. Провод диаметром 0,1…0,12 мм, намотка внавал. Выводы необходимо аккуратно зачистить и припаять к выводам каркаса так, чтобы его не расплавить.

Прежде чем начать настройку приемника, не поленитесь и изготовьте из кусочка диэлектрика (например, стеклотекстолита) отвертку для подстройки катушек L1…L4. Включив питание, переведя переключатель S1 в правое (по схеме) положение и установив движок резистора R1 примерно в среднее положение, попробуйте «поймать» какую-нибудь УКВ станцию FM диапазона 88… 108 МГц вращением сердечника катушки L4. После этого вращением резистора R1 добейтесь максимальной громкости приема.

Переходим к первой операции — настройке тракта ПЧ. Вращением подстроечника катушки L5 нужно добиться максимального качества звука и максимальной его громкости. Вторая операция — настройка частотного детектора — производится по тем же критериям, но вращением сердечника катушки L6. Третья операция — настройка границ диапазона — производится при установке резистора R1 в нижнее (по схеме) положение. В этом положении вращением сердечника катушки L4 устанавливаем самую «нижнюю» по частоте станцию диапазона, контролируя ее по промышленному радиоприемнику.

Установка «нижней» станции в диапазоне 64…73 МГц производится при переводе переключателя S1 в левое положение. Последняя операция — добиться приема станций без характерного шипения вращением подстроечников катушек L1 и L2.

Как показывает практика, настройка даже такого до предела облегченного варианта супергетеродинного приемника занимает не один час времени. Однако это вознаградит вас за труды потрясающим качеством звучания и стабильностью установленных настроек.

Обращаем ваше внимание, что усилитель низкой частоты, установленный на плату приемника, предназначен для демонстрации работоспособности схемы. Если вы захотите использовать этот приемник повседневно, подключите хороший усилитель низкой частоты на транзисторах или на микросхеме, которые приведены в первой книге.

Следующая конструкция УКВ радиоприемника основана на той же микросхеме, но настройка его осуществляется двухсекционным конденсатором переменной емкости КПЕ-2, который можно найти в старой отечественной аппаратуре (в блоках УКВ), выпущенной в 70—80-х гг. XX в. Двухсекционная конструкция, как мы успели заметить, является принципиальным моментом, так как одновременно нужно перестраивать и преселектор, и гетеродин. Конденсатор снабжен редуктором и большим шкивом, который можно связать капроновым тросиком с ручкой и плавно настраивать приемник.

Схема приемника приведена на рис. 11.64, печатная плата — на рис. 11.65, а сборочный рисунок — на рис. 11.66.

Рис. 11.64. Схема приемника

Рис. 11.65. Печатная плата

Рис. 11.66. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Радиоприемная часть практически ничем не отличается от описанной в предыдущей конструкции. Нет особенностей и в усилителе низкой частоты.

Его схема отдельно была приведена в главе «Усиливаем сигналы» (книга 1). Единственная особенность кроется в наличии стабилизатора напряжения D2. Зачем он нужен? Как видно из схемы, напряжение питания составляет 9 В — им нельзя питать микросхему. Поэтому стабилизатор и понижает напряжение до безопасного для микросхемы TA8164 уровня 5 В.

Намоточные данные катушек: L1 — 5 витков, L2 — 6 витков провода типа ПЭВ диаметром 0,4…0,5 мм. Каркасы диаметром 5 мм с резьбовыми подстроечниками М4. Намоточные данные остальных катушек можно взять из предыдущей схемы. Так как приемник может работать только в одном из УКВ-диапазонов (отечественном или зарубежном), надо заранее выбрать диапазон. Конденсаторы С6 и С7 можно использовать для установки границ принимаемого диапазона, если не хватит хода катушек L1 и L2. Но скорее всего, что в зарубежном диапазоне установка конденсаторов С6 и С7 не потребуется. Для перестройки приемника на прием передач отечественного УКВ-диапазона нужно вывернуть латунные подстроечники и ввернуть вместо них подстроечные сердечники из феррита 13ВЧ или 9ВЧ (материал этих сердечников имеет характерный темно-бордовый цвет, они достаточно хрупки, так что обращаться с ними при настройке надо осторожно, без усилий). Конденсаторы С6 и С7 в этом случае должны быть по 10 пФ. Возможно, что при настройке для минимизации искажений звука потребуется увеличить номинал R1 до 5,6 кОм.

 

Асинхронно-гетеродинный приемник

Последний вариант УКВ приемника, предлагаемый читателю для изготовления, развивает идею супергетеродинного приемника и… возвращается к гетеродинному варианту! В этом приемнике есть «супергетеродинная» промежуточная частота, равная 76 кГц, но ее выделение осуществляется «гетеродинным» фильтром низкой частоты, построенном на основе обычных конденсаторов. Есть усилитель промежуточной частоты и частотный детектор, работающий по особому фазовому принципу, есть даже бесшумная настройка, устраняющая шумы эфира между станциями и индикатор точной настройки на станцию.

Как устроена эта микросхема, как она работает, подробно описано в книге [7]. Чтобы не утомлять читателя математическими формулами и структурными схемами, назовем достоинства и недостатки такого приемника. К достоинствам относятся чрезвычайная простота, легкость в повторении, минимум операций по настройке после сборки, достаточно высокая входная чувствительность. Недостатков тоже много, и самый главный из них — наличие зеркального канала, отстоящего от основного на 152 кГц. Фильтровать этот канал приходится специальными методами.

Впервые микросхема, реализующая вариант этого асинхронно-гетеродинного радиоприемника, была выпущена фирмой «Philips» под маркой TDA7000. Позже появились модификации TDA7010 и TDA7021. Микросхема TDA7021 имеет отечественный аналог КР174ХА34АМ, поэтому именно на ней мы будем строить приемник.

Последняя разработка фирмы — микросхема TDA7088 — серьезно отличается от своих предшественниц. Настройка осуществляется не ставшим уже классическим способом изменения управляющего напряжения на варикапах вращением переменного резистора, а кнопочным. Приемник, построенный на этой микросхеме, имеет всего две кнопки: «reset» — сброс, устанавливающий схему настройки в начало диапазона, и «scan» — автосканирование вверх по диапазону и остановка на ближайшей станции. К сожалению, эта микросхема выпускается в планарном корпусе с шагом выводов 1,27 мм, поэтому ее трудно использовать начинающим радиолюбителям. Но заинтересовавшиеся смогут подробно, познакомиться с ней в книге [7].

Принципиальная схема приемника приведена на рис. 11.67, печатная плата — на рис. 11.68, а сборка — на рис. 11.69.

Рис. 11.67. Схема приемника

Рис. 11.68. Печатная плата

Рис. 11.69. Сборочный чертеж и внешний вид монтажа

Выводы 12 и 13 — входной усилитель радиочастоты. Между ними включен контур, образованный элементами С13, С14, L1. Контур выполнен неперестраиваемым и настроен на среднюю частоту принимаемого диапазона. Интересно отметить, что приемник будет вполне прилично работать, если, этот контур исключить вместе с резистором R10, оставив только конденсатор С15 и подключив антенну к выводу 12 через конденсатор емкостью 47… 100 пФ.

Гетеродин приемника имеет вывод 5. К нему подключен частотозадающий контур L2, С4, VD1. Через резистор R1 на варикап VD1 подается напряжение смещения. Конденсаторы C1, С2, СЗ и С12 формируют селективную характеристику усилителя промежуточной частоты. Конденсатор С10 — нагрузка частотного детектора, а конденсаторы С16 и С17 установлены в усилителе низкой частоты. Вывод 9 микросхемы — сигнал точной настройки. Схема, построенная на транзисторах VT1 и VT2, во-первых, усиливает сигнал точной настройки, а во-вторых, инвертирует его, поскольку о точной настройке свидетельствует низкий уровень на выводе 9.

Усилитель низкой частоты построен на микросхеме TDA7050 и особенностей не имеет. Резистор R8 регулирует громкость. Его конструкция — белое колесико, совмещенное с выключателем.

О деталях. Переменный резистор R2 должен быть многооборотным, например типа СПЗ-3б. Его номинал может лежать в пределах 22…100 кОм. Резисторы типа МЛТ, С2-33, конденсаторы — К10-17 и К50-35 (К50-68). Вместо варикапа КВ 109В можно применить КВ109Г, КВ122А, КВ106А. Светодиод — любого типа с красным свечением. Антенна — отрезок провода длиной 1,5 м. Катушки L1 и L2 — бескаркасные, намотанные на оправке диаметром 5 мм проводами ПЭВ, ПЭТВ (диаметр 0,5…0,7 мм). Количество витков: L1 — 12, L2 — 7 (для приема зарубежного диапазона) или 11 (для приема отечественного диапазона). Количество витков можно подобрать в пределах 1–2 для установки границ диапазона. Можно также осуществлять настройку сжатием-растяжением витков.

Налаживание начинают с соединения дополнительным резистором сопротивлением,10 кОм выводов конденсатора С9, отключая систему бесшумной настройки. Затем сжатием и растяжением витков катушки L2 добиваются перестройки по всему диапазону резистором R2. Можно также поэкспериментировать с варикапами, установив их параллельно две штуки (напаяв сверху второй элемент). Тогда можно уменьшить число витков катушки. Собственно, вот и вся настройка. Схему подавления шумов (БШН) можно опять включить.

Приемник питается от двух гальванических элементов напряжением 3 В.

Сравните его звучание со звучанием классического супергетеродинного приемника и выберите лучший вариант. Добавим, что немного видоизмененный вариант приемника, содержащий дополнительный усилитель высокой частоты (антенный), опубликован в книге [8].

 

Приемник с двойным преобразованием и другие

В профессиональной многоканальной радиоаппаратуре связи надо получить довольно большую селективность не только относительно соседних станций, но и побочных каналов (зеркального и гармониковых, то есть кратных частоте гетеродина). С повышением частоты расширяется полоса пропускания контуров, а это приводит либо к необходимости увеличивать их количество в преселекторе (входном фильтре) и перестраивать все одновременно (например, варикапами), что довольно сложно, либо же применять двойное преобразование частоты. Второй вариант оказался проще в реализации и обеспечивает более высокие параметры приемника.

При двойном преобразовании первую ПЧ выбирают более высокой (6,5 МГц или более), чем вторую (455–465 кГц). Это позволяет при усилении сигнала на второй ПЧ легко отсечь зеркальные каналы.

Превратить супергетеродинный приемник в приемник с двойным преобразованием несложно — достаточно на выходе ФПЧ поставить еще один гетеродин, смеситель, ФПЧ, как показано на рис. 11.70.

Рис. 11.70. Приемник с двойным преобразованием частоты

Особенностью второго гетеродина является постоянство его частоты. К примеру, если первая промежуточная частота будет 10,7 МГц, то вторую ПЧ можно установить на уровне 465 кГц.

Двойное преобразование частоты позволяет обеспечить еще большую избирательность, помехозащищенность и чувствительность к слабым сигналам. Иногда в специальной технике используется даже тройное преобразование частоты!

Заняться конструированием приемника с двойным преобразованием можно не ранее, чем появится практический опыт по изготовлению более простых схем. К тому же настройка приемника с двойным преобразованием частоты требует наличия комплекта профессиональных измерительных приборов, которых пока у вас нет. Поэтому мы не приводим практических схем таких приемников.

Описанными ранее конструкциями не ограничивается разнообразие радиоприемников. Как вы уже знаете, при амплитудной модуляции несущая не содержит информации, но на нее тратится большая часть мощности передатчика. Для повышения КПД передатчика была придумана схема, позволяющая передавать сигнал, содержащий только две боковые полосы (с подавленной несущей частотой). Такой вид модуляции сигнала называют Double Side Band, или сокращенно — DSB. Приемник в этом случае нужен тоже специальный, способный восстановить несущую, которая нужна при детектировании исходного сигнала без искажений.

Еще один метод улучшения технических характеристик канала связи связан с использованием однополосной модуляции (такой вид модуляции сокращенно называют SSB). Энергетически он еще более выгоден, чем способ с подавленной несущей, к тому же в 2 раза уменьшается полоса, занимаемая в эфире (информацию передают на одной боковой полосе — верхней или нижней, — обрезав вторую). Приемник в этом случае также должен иметь специальную схему, способную выполнить детектирование такого сигнала, для чего необходимо, чтобы частота гетеродина и фаза ее колебаний в приемнике в любой момент времени соответствовали определенному значению по отношению к фазе и частоте колебаний несущей передатчика (с высокой точностью).

 

Обзор современных способов получения информации

Мы завершаем разговор о радиоприемных устройствах небольшим обзором современных способов получения информации по радиоканалу. Сегодня стремительно возрастает популярность передачи по радио данных, кодированных в цифровом виде, то есть в виде нулей и единиц. Не подумайте, что наступает ренессанс «морзянки» — в обиход входит цифровой радиоканал. Самый простой из них имеют автомобильные сигнализации. Брелок-передатчик при нажатии кнопки излучает в эфир кодовую посылку, в которой зашифрованы код опознавания «свой-чужой», команда, по которой, например, нужно открыть дверь автомобиля. Приемник, установленный в машине, постоянно прослушивает эфир и, получив нужный код, выдает команду на то или иное действие. Несмотря на кажущуюся простоту, и передатчик, и приемник автомобильной сигнализации оснащены микропроцессорами (микроконтроллерами), которые обрабатывают цифровую информацию.

Автомобильная индивидуальная сигнализация — малая часть того, что может обеспечить современная радиотехника для предотвращения кражи транспортных средств. Сейчас идет практическая реализация глобальной системы охраны, которая немедленно передаст сигнал тревоги на компьютер соответствующих служб, сообщив местонахождение угнанного автомобиля. Понятно, что необходимой аппаратурой должны быть оборудованы все автомобили. Это — дело недалекого будущего.

Совершая поездку на автомобиле, водители часто слушают радиоприемники. Кроме развлечения, это позволяет оперативно узнавать о погодных условиях и пробках на дорогах. Но сводки передаются не так часто. Чтобы постоянно иметь «под рукой» важную информацию, сегодня в УКВ-диапазоне работают станции RDS,которые передают цифровой сигнал одновременно со звуковой радиопередачей. Эта информация может быть выведена на дисплей автомобильного приемника «бегущей строкой». Россия пока отстает от всего мира по масштабам развития RDS вещания — оно имеется только в нескольких крупных Городах. Но, хочется верить, развиваться будет быстро.

Очень напоминает систему RDS телевизионная служба «телетекст». Телевизор, оснащенный декодером телетекста, может выводить на экран в буквенно-цифровом виде передаваемую телецентром в перерывах между кадрами изображения информацию. Функция телетекста есть практически во всех современных телевизорах. Информация здесь также передается в цифровом виде.

Сколько существует человечество, всегда актуальной была проблема определения своего местонахождения на земной поверхности. Сегодня сделать это очень просто — достаточно иметь в кармане приемник GPS сигнала. Система GPS — это 24 спутника на околоземной орбите, по сигналу с которых можно определить свои географические координаты: широту и долготу. Приемники GPS сигнала могут быть как очень простыми и дешевыми, дающими только информацию о координатах, а могут выводить на цветной монитор электронную карту с возможностью масштабирования, отмечать маршрут передвижения, обсчитывать скорость продвижения на каждом участке.

Прочно вошла в нашу жизнь пейджинговая связь, первые опыты внедрения которой относятся аж к 1956 г.! Пейджинговая система также использует радиоканал, по которому непрерывно передаются сообщения для абонентов в цифровом виде. Каждое сообщение имеет свой уникальный код, и оно попадает на приемное устройство абонента (пейджер), которому и адресуется. Недостаток пейджинговой связи кроется в невозможности обратной передачи сообщения, но тем не менее она используется так же широко, как и сотовая связь, — благодаря своей дешевизне. В 1992 г. создана общеевропейская система пейджинговой связи «European Radio Message System», работающая в полосе частот 169,4—169,8 МГц. В настоящее время около 90 % стран используют разработку фирмы «Motorola», датируемую 1993 Эта разработка, называемая FLEX, обладает повышенной помехоустойчивостью и скоростью передачи данных. Пейджинговые системы имеют междугородный и общеевропейский роуминг, то есть сообщение дойдет до абонента, где бы он ни находился.

Теперь поговорим о такой широко распространенной ныне области, как радиолокация. Радиолокационные станции используются сегодня не только и даже не столько в военных целях, сколько помогают безопасному передвижению транспорта — самолетов и кораблей. Миниатюрное локационное оборудование есть даже на небольших прогулочных яхтах и одноместных самолетах. Оно входит в обязательный набор технических средств аэропортов — без радиолокации современные самолеты не могут ни взлететь, ни сесть на посадочную полосу. Радиолокация используется и в научных целях — для исследования ионосферы и даже для изучения планет Солнечной системы.

Первые опыты по радиолокационному обнаружению объектов относятся к 30-м гг. XX в., причем ведущие мировые страны (СССР, Англия, Германия, США) стали заниматься этой проблемой практически одновременно, но в обстановке строжайшей секретности. Поначалу к технике радиолокации военные руководители относились прохладно, не доверяли новым технологиям. Но произошла большая трагедия, и это в значительной степени способствовало изменению мнения на предмет использования локаторов.

В 1941 г., 7 декабря, японский флот состоявший из шести авианосцев с 360 самолетами, двух линкоров, трех крейсеров, девяти эсминцев и шести подводных лодок, скрытно подошел к американской базе Перл-Харбор, недалеко от Гавайских островов. На базе имелась одна новая РЛС, но она включалась всего на несколько часов в сутки, да и к ее данным относились достаточно прохладно. В то утро РЛС все-таки работала и обнаружила на расстоянии 140 миль большое скопление самолетов. Но американцы сочли самолеты своими, так как они ждали прибытия отряда бомбардировщиков. Японские самолеты достигли Перл-Харбора только через час, и за это время можно было как-то подготовиться, поднять в воздух истребительную авиацию, задействовать корабельные и береговые зенитные орудия. Увы, беспечность и самоуверенность американцев привели к потере четырех линкоров, крейсера, трех эсминцев, 260 самолетов, свыше 5000 раненых и убитых — японцы просто разбомбили неподвижные и несопротивляющиеся цели. Интересно отметить, что японская сторона потеряла всего 29 самолетов и 55 летчиков.

Техника радиолокации сегодня находится на очень высоком уровне и продолжает развиваться. С ее помощью можно определить направление на объект, его высоту над поверхностью и скорость перемещения. Поражает и разрешающая способность технических средств: некоторые станции могут распознать цель с максимальным размером около 20 см на расстоянии 1500 км!

Как устроена простейшая радиолокационная станция? Она состоит из передатчика и приемника, расположенных рядом. Передатчик формирует короткие импульсы, которые с помощью направленных антенн излучаются в сторону объекта. Достигнув цели, радиоволна отражается от нее и спустя некоторое время возвращается к приемнику. Для прохождения пути от РЛС до цели и обратно волне потребуется некоторое время, которое, учитывая постоянство скорости распространения волны, легко пересчитать в расстояние. В самом простом случае измерить расстояние можно с помощью… осциллографа (рис. 11.71).

Рис. 11.71. Измерение расстояния до объекта средствами РЛС

В момент излучения импульса (1) запускается развертка осциллографа и антенна переключается на прием. Отраженный импульс (2) приходит спустя некоторое время t, поэтому, помножив полученное. время на калибровочный множитель, можно определить расстояние. А можно нанести на экран осциллографа сетку и проградуировать ее непосредственно в единицах расстояния, например в километрах.

Более сложные РЛС кругового обзора изготавливаются с поворотной антенной, перемещение которой синхронизируется с лучом на специальной осциллографической трубке, в центре которой условно находится РЛС, а сканирующий луч постоянно перемещается по радиусу, отмечая точками объекты.

Радиолокационные станции широко используются для зондирования ионосферы, когда антенна РЛС направляется вертикально вверх. Зондирование осуществляют на частотах от 0,5 до 20 МГц. Результатом этой работы является получение высотно-частотной характеристики ионосферы. Это нужно для прогнозирования эффективности работы коротковолновых линий связи. Поскольку в моменты ионосферных возмущений (это наиболее четко проявляется в полярных районах) наступает резкое ухудшение параметров связи, важно своевременно обнаружить такие явления и предупредить соответствующие службы. Интересно отметить, что результаты наблюдений за ионосферой вместе с наблюдениями за другими геофизическими явлениями позволяют составлять прогнозы поведения ионосферы вперед на несколько лет!

Радиоастрономия — эта область науки проделала за несколько десятилетий путь от зарождения до расцвета. Совершено множество открытий источников излучения, находящихся во Вселенной и в не видимых обычным глазом — квазаров, пульсаров. Специальные радиотелескопы, принимающие космическое излучение, занимают на земле километровые площади, являясь уникальными техническими сооружениями. Колоссальный рывок совершила радиоастрономия и на пути к объяснению картины зарождения Вселенной. В частности, было открыто реликтовое излучение. Как известно, теория зарождения Вселенной в результате Большого взрыва, была построена советским математиком А. А. Фридманом в 1922–1924 гг. В частности, из этой теории следовало, что Вселенная в далеком прошлом не имела ни отдельных небесных тел, ни галактик, а все вещество было однородным, очень плотным и быстро расширялось. В начале 1940-х гг. американским физиком Г. Гамовым на основе теории Фридмана сделано предположение о том, что температура этого однородного вещества была огромной. Физик высказал предположение: в сегодняшней вселенной должно существовать слабое излучение, оставшееся от эпохи большой плотности. И действительно, в 1965 г. американские физики А. Пензиас и Р. Вилсон открыли реликтовое излучение, доказав справедливость теории «горячей вселенной».

Максимум интенсивности реликтового излучения приходится на участок длин волн порядка 0,1 см. Наличие реликтового электромагнитного излучения позволяет исследовать процессы, происходившие во Вселенной 10–20 млрд. лет назад. Интересно отметить, что в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн реликтовое излучение по интенсивности во много тысяч раз превосходит излучение звезд и обнаруживается при помощи радиотелескопов.

Наличие реликтового излучения позволило продвинуться вперед и по такому важному для астрономов вопросу, как распределение плотности вещества во вселенной. Поскольку излучение несет информацию о точках пространства, разнесенных очень далеко друг от друга, по его интенсивности судят о плотности вещества в этих точках. Интенсивность этого излучения, приходящего к нам с диаметрально противоположных точек неба, оказалась на удивление одинаковой. Объяснения данному научному факту пока не найдено. Техника радиоастрономии — это передний край современной науки.

Физиология. Электромагнитные волны — отличный инструмент для изучения функционирования человеческого организма, диагностики заболеваний. Наличие электрических сигналов при работе мышц и мозга человека объясняет наличие радиоизлучения живого организма на частотах около 150 кГц. Об исследованиях в этой области впервые было сообщено еще в 1960 г. на конференции Общества американских радиоинженеров. Известные всем электрокардиограммы и электроэнцифалограммы дают отличное представление о работе сердца и головного мозга. Практически любое нарушение четко отслеживается специально подготовленными врачами, предупреждается развитие патологий, даются лечебные рекомендации. В последнее время появились приборы, которые после снятия электрограммы автоматически анализируют графики, выдают необходимые данные, избавляя врача от рутинной работы и позволяя ему сосредоточиться на главном.

Человеческий мозг при своей работе излучает множество периодических сигналов, называемых ритмами. Учеными установлено, что все ритмы живых организмов так или иначе связаны с основным земным ритмом — суточным. Интересно, что в настоящее время у человека обнаружено более 100 различных ритмов. Все эти ритмы также связаны друг с другом, образуя логичную цепь.

Рассогласование ритмической деятельности организма может вызвать даже заболевания. Например, десинхроноз возникает, когда человек перебирается на противоположную сторону земного шара. Ему приходится какое-то время адаптироваться к новым условиям.

Надеемся, что вы, уважаемые читатели, успели понять: радиотехника — это наука, которой в современной жизни всегда есть место.

Литература

1. Захаров А. УКВ ЧМ приемник с ФАПЧ. — М.: Радио, №,12, 1985.

2. Захаров А. Кольцевой стереодекодер в УКВ ЧМ приемниках. — М.: Радио, № 10, 1987.

3. Захаров А. Стереодекодер с коррекцией частотных предыскажений. — М.: Радио, № 1, 1990.

4. Сапожников М. Как повысить селективность приемника. — М.: Радио, № 12, 1991.

5. Поляков В. Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. — М.: Патриот, 1990.

6. Поляков В. Т. Техника радиоприема. Простые приемники AM сигналов. — М.: ДМК, 2001.

7. Семенов Б. Ю. Современный тюнер своими руками: УКВ стерео + микроконтроллер. — М.: COЛOH-P, 2001.

8. Шелестов И. Я. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 4. — М.: СОЛОН-Р, 2001.