Что такое калибратор и зачем он нужен? Допустим, вы решили послушать «Радио России» вечерком на коротких волнах. Из программы передач, волнового расписания или еще откуда-то вы узнали, что это радио работает на частоте 7215 кГц. В вашем распоряжении неплохой приемник «Россия 203-1» (2-го класса, между прочим!). Вы глядите на шкалу, и в диапазоне КВ 2 видите деления: 4.0, 4.5, 5.0, 6.0 и 7.3 МГц. Ну, и где искать станцию? Немножко пониже 7,3 МГц? Там станций не меньше десятка! Хорошо еще, если шкала отградуирована в мегагерцах частоты, а если в метрах длины волны?
Может, конечно, помочь формула: длина волны равна скорости света, деленной на частоту. Или, для простоты запоминания, длина волны λ = 300/f (МГц). Вы можете сосчитать, что частота 7,215 МГц соответствует волне примерно 41,6 м, ну и что? Шкала приемника все равно не имеет столь точной градуировки! Вероятнее всего, вы увидите широкую полоску, охватывающую весь вещательный поддиапазон, над которой написано: «41 м».
Можно, конечно, выкинуть все старые радиоприемники и купить новый, с цифровой шкалой. Но большой прогресс цифровой техники, позволивший выпускать простые и дешевые цифровые шкалы, не означает такого же прогресса в технике радиоприема. Более того, хорошие приемники сейчас разучились делать. У меня на полке стоит подобный приемник ценовой категории менее 1000 рублей, но слушать его нельзя — люфт, скрип и тяжелый ход «веревочного» верньера отбивают всякую охоту трогать ручку настройки, а цифровая шкала (единственное отличие приемника от подобного же, более дешевого ширпотреба) ошибается на пару килогерц.
На Западе действительно хороший, профессиональный радиоприемник купить можно (у нас их просто не выпускают), но цены заоблачные.
Отградуировать шкалу любого, фабричного или самодельного, аппарата, будь то приемник, генератор сигналов или еще какое-нибудь экзотическое устройство, как раз позволяет кварцевый калибратор, о котором и пойдет речь. Основу его составляет высокостабильный генератор, резонатором в котором служит не колебательный контур, а кварцевый кристалл, имеющий какую-нибудь «круглую» частоту: 100 кГц, 1 МГц или 10 Мгц. Не знаю, как сейчас, но раньше выпускали специально для радиолюбителей набор, содержавший три кварцевых резонатора на указанные частоты и стоивший очень недорого.
Другим источником кварцевых резонаторов теперь с успехом служат старые платы от цифровой техники: компьютеров и игровых приставок. Сейчас ведь все, что надо и не надо, стараются сделать на микропроцессорах (МП), а каждый МП требует для своей работы тактового генератора. Производители упорно не желают мотать катушки (дорого и нетехнологично), поэтому наладили широкий выпуск кварцевых резонаторов. Например, из одной старой, выброшенной платы компьютера я выпаял целых пять штук. Частота обычно написана на корпусе, часто встречаются и «круглые» частоты — 4, 8, 12 МГц.
Если собрать на кварцевом резонаторе простенький маломощный генератор и присоединить к нему короткий отрезок провода (10.20 см) в качестве антенны, то сигнал можно принять вашим радиоприемником, и на его шкале появится калиброванная точка. Сигнал принимается очень мощно, ведь приемник — чувствительный прибор и находится рядом, так что ошибиться трудно. К тому же калибратор всегда можно выключить, поднести поближе к приемнику или отнести подальше, чтобы убедиться в приеме именно его сигнала.
В обычном АМ-приемнике сигнал калибратора слышен так же, как немодулированная несущая мощной радиостанции в паузах передачи (по пропаданию помех и более ровному характерному шуму), если же приемник позволяет принимать телеграф и однополосную модуляцию (имеет второй гетеродин), то сигнал слышен как громкий свист понижающегося при точной настройке тона.
Но вот что интересно: если вы настроите приемник на удвоенную, утроенную, учетверенную и так далее частоту калибратора, вы тоже услышите сигнал, возможно, несколько тише. Это гармоники, и они действительно присутствуют в выходном сигнале генератора. Гармоник не содержит только идеально чистый синусоидальный сигнал. Это поясняет рисунок 1, а, где сверху показана зависимость напряжения сигнала от времени, а снизу — его спектр, содержащий лишь одну частоту fo = 1/T, где: Т — период колебаний (время одного полного колебания).
Рис. 1, а
Добавим к основному колебанию (сплошная линия на рис. 1, б сверху) его третью гармонику — штриховая линия. Результирующая форма сигнала показана красной линией. Теперь она далека от синусоидальной и напоминает скорее прямоугольную. Спектр сигнала содержит уже не одну спектральную линию, а две: основную частоту fo (черная линия на нижнем рисунке) и ее третью гармонику — частоту 3fo (красная линия). Высота линий соответствует амплитуде гармоник.
Рис. 1, б
Идеально прямоугольный сигнал содержит бесконечное число нечетных гармоник основной частоты, с амплитудами, убывающими обратно пропорционально номеру гармоники. Короткие импульсы содержат как четные, так и нечетные гармоники, которых тем больше, чем круче фронты импульсов.
Из сказанного ясно, что простейший калибратор содержит кварцевый генератор и «исказитель» формы колебаний — генератор гармоник (рис. 2, а).
Рис. 2, а
Лучше всего, если он будет выдавать короткие острые пики напряжения, богатые высшими гармониками. Для связи с приемником послужит упомянутый короткий отрезок провода — антенна. Если выбрать кварц на 100 кГц, в эфире рядом с приемником появится как бы виртуальная шкала — гребенка сигналов с частотами, кратными 100 кГц, например, 7000, 7100, 7200, 7300 и так далее кГц.
Теперь найти «Радио России» гораздо легче: настраиваем приемник на 7200 кГц по калибратору, и затем лишь чуть-чуть (на 15 кГц, или 1/7 виртуального деления) смещаем настройку вверх по частоте.
Если вам понравилась идея и захотелось иметь более подробную виртуальную шкалу с делениями, скажем, через 10 кГц, не обязательно искать кварцевый кристалл на 10 кГц — низкочастотные кварцы дороги, дефицитны и имеют большие габариты. Проще и лучше пойти другим путем — установить в калибратор делитель частоты (рис. 2, б).
Рис. 2, б
Среди множества выпускаемых микросхем есть готовые делители на 10, и они прекрасно подойдут. Тогда из сигнала с частотой 100 кГц вы получите 10-килогерцевый сигнал прямоугольной формы, и его останется только продифференцировать, т. е. пропустить через конденсатор малой емкости, чтобы получить импульсы, богатые гармониками.
Можно пойти и дальше — сделать делитель с переключаемым коэффициентом деления и получать практически любые нужные вам частоты.
Перед автором стояла задача сделать калибратор с сеткой частот 10 кГц для приема и исследования сигналов дальних радиовещательных станций на КВ. При наличии кварца на 100 кГц в стеклянном «карандашном» корпусе размерами порядка 10х40 мм была выбрана структурная схема (рис. 2, б). Делитель желательно было сделать регулируемым. Были и дополнительные требования: максимальная простота и минимальное энергопотребление.
«Городить огород» из множества микросхем генераторов и делителей, следуя традиционным путем, не хотелось. Немного подумав, автор решил отказаться от «классического» переключаемого делителя частоты и использовать явление захвата частоты, применив вместо делителя простой мультивибратор.
Схема того, что получилось, показана на рисунке 3.
Рис. 3
В калибраторе применена всего одна, простая, дешевая и совсем недефицитная микросхема К561ЛА7 или К167ЛЕ5 (в данном применении они полностью взаимозаменяемы, и разводка выводов одинакова). Калибратор содержит два автогенератора, собранных по стандартной и хорошо зарекомендовавшей себя схеме. В каждом использовано по два элемента 2И-НЕ микросхемы (всего их четыре).
Слева — кварцевый генератор. Работает он так: пусть напряжение на выходе второго элемента (вывод 4) «подпрыгнуло» вверх до уровня логической единицы. Это изменение передается через кварцевый резонатор на входы 1 и 2 первого элемента, он переключается, и на его выходе 3 устанавливается логический нуль. Поскольку выход 2 напрямую соединен со входами второго элемента 5 и 6, то на его выходе 4 фиксируется высокий уровень единицы. Но кварцевый кристалл, возбужденный импульсом, совершает свои собственные колебания, и через половину периода напряжение на левом выводе кварца понизится и переключит оба логических элемента. Напряжение на выходе 4 «прыгнет» вниз, «подбросит» энергии в кварцевый кристалл и останется низким еще половину периода. Потом процесс повторится.
Таким образом на выходе генератора (вывод 4) мы получим прямоугольные колебания, богатые гармониками, но с частотой 100 кГц, стабилизированной кварцем. Как показал эксперимент, гармоники хорошо прослушиваются КВ-приемником вплоть до частот радиовещательного 13-метрового диапазона — выше 20 МГц.
Второй, захватываемый генератор собран по аналогичной схеме и работает так же, только частота его колебаний определяется емкостью конденсатора С2 и суммарным сопротивлением резисторов R2, R3. Регулируя R3, ее можно изменять в пределах примерно от 5 до 25 кГц. Поскольку на этот генератор поступают синхронизирующие импульсы напряжения от кварцевого генератора через конденсатор связи малой емкости С1, частота второго генератора всегда равна 100кГц/N, где N — целое число.
Для градуировки шкал разной аппаратуры удобно установить коэффициент деления N = 10, и тогда гармоники калибратора будут отстоять друг от друга ровно на 10 кГц. Отключить второй генератор-делитель очень легко, соединив один из входов его элементов, например 8 или 12, с отрицательным выводом батареи питания (вывод 7).
При напряжении питания 6 В (четыре элемента типа АА) калибратор потребляет всего 0,25 мА. Работоспособность сохраняется и при снижении напряжения питания до 3 В, при этом ток потребления падает до 0,1 мА.
Калибратор целесообразно поместить в небольшую коробочку с выдвижной телескопической антенной и элементами питания.
В. ПОЛЯКОВ, профессор