Спектроанализатор радиолюбителя

Как конструктора радиолюбительской аппаратуры меня очень заинтересовала идея DG2XK (1) использования компьютерной программы низкочастотного (20Гц-22кГц) спектроанализатора для измерения АЧХ различных радиолюбительских фильтров. Идея очень проста: надо высокочастотный спектр АЧХ кварцевого фильтра (КФ) перенести с помощью обычного SSB детектора в низкочастотную область и посмотреть на дисплее АЧХ исследуемого фильтра. В качестве источника сигнала DG2XK предлагал генератор шума на стабилитроне, но от него пришлось отказаться, так как АЧХ фильтра просматривалось на уровне не более -40dB , что явно недостаточно для качественной настройки КФ.

После ряда экспериментов сложилось следующая схема (рис.1) исследования АЧХ КФ. Небольшое предисловие. Для того чтобы с помощью приставки к ПК можно было анализировать АЧХ исследуемого КФ на уровне -60 -70 dB и ниже, к генератору, качающейся, частоты (ГКЧ) 1, на рис.1 и детектору 4 предъявляются достаточно жесткие требования. Так ГКЧ должен иметь уровень боковых шумов -90dB и ниже, а детектор - хорошую линейность при максимальном динамическом диапазоне не хуже 90-100dB.

В качестве ГКЧ использован ГПД трансивера YES-98M (2). На варикап расстройки заведено качающее напряжение частотой около 5Гц с генератора рис.2 . Из-за того, что частота этого генератора и его гармоники находятся в полосе обзора анализатора спектра (АС) и для уменьшения протяженности этого участка генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с амплитудой около 5-6В от пика до пика. Полоса качания 8-10кГц устанавливается резистором R17 (рис.2).

Сигнал качающейся частоты, прошедший КФ, поступает на вход детектора (рис.3). Для согласования сопротивлений входного контура С1,С2,L1 и трансформатора Т1 смесителя применен истоковый повторитель на КП903. В качестве ключей VT2,VT3 пассивного смесителя применены транзисторы КП350Б, на которые подаются противофазные синусоидальные напряжения с уровнем 3-4В (Эфф.) с П-контуров C17,L2,C20 и C19,L3,C21. С помощью изменения С15,R9,L2 и L3 производят балансировку смесителя. В опорном генераторе детектора, выполненном на микросхеме D2, используется кварц, входящий в комплект КФ, частота которого уводиться ниже полосы пропускания фильтра на величину 5-7кГц. Это делается по тому, что в этом участке АС меньше наблюдаются различные помехи, которые уменьшают разрешающую способность устройства.

Образовавшийся на выходе смесителя низкочастотный сигнал усиливается около 20-раз операционным усилителем (ОУ) D1. С помощью соответствующих элементов АЧХ ОУ скорректирована так, что бы ниже 1кГц и выше 20кГц наблюдался спад -6dB на октаву. В виду того, что звуковые карты (ЗК) ПК имеют сравнительно низкоомный вход, применен довольно мощный ОУ 157УД1.

Генератор качающей частоты (рис.2) собран навесным монтажом в отсеке цифровой части ГПД. При настройке этого узла с помощью R14, контролируя осциллографом с открытым входом, добиваются чистой стабильной синусоиды с надлежащим уровнем. Для установления линейного режима этого генератора (рис.2) подбирают R12. С помощью R17 устанавливают необходимую девиацию частоты ГПД. Диапазон качающейся частоты ГПД симметрично совмещают с полосой пропускания КФ.

Детектор выполнен на двустороненей печатной плате (рис.7). Верхний слой фальги используется в качестве общего провода. Отверстия для незаземленных выводов деталей зенкуются. Плата запаивается в жестяную коробку высотой 35мм со съемными крышками. При настройке высокочастотным осциллогофом контролируют синусоидальный сигнал на затворах VT2,VT3 при необходимости подстраивая L2,L3. С помощью L4 частота опорного генератора уводится ниже полосы пропускания КФ на 5-7кГц.

Все дроссели типа ДМ, индуктивность указана в мкГн. Каждая катушка L1, L2, L3, L4 содержит по 32 витка провода ПЭВ-0,21, намотанных на каркасах диаметром 6 мм. Трансформатор Т1 намотан на кольце К10х6х3 - 1000НН и содержит в первичной обмотке 7 витков - ПЭВ-0,31, во вторичной 2х13 витков - ПЭВ-0,31.

Существует несколько таких программ. Автором использована программа SpectraLab v.4.32.16 размещенная по адресу: http://www.dream.myrunet.com/files/spectr_lab.zip  . Программа очень хороша и удобна в пользовании и обладает большими возможностями.

Для балансировки смесителя в ГПД отключаем режим качания частоты и устанавливаем его частоту так, что бы на экране дисплея появилась спектрограмма сигнала ГПД на частоте, например 5кГц. Регулировкой выходных напряжений ГПД и детектора устанавливаем пик характеристики на отметку в 0dB (соответствует 1В пикового напряжения). На частотах 10 и 15кГц можно наблюдать пики второй и третьей соответственно гармоник достаточно большого уровня. Подбирая C15 и изменяя R9,L2 и L3 добиваются снижения уровня второй гармоники не хуже -80dB . В противном случае при исследовании АЧХ КФ рядом с право от основной АЧХ появиться 'дубль' соответствующего уровня. В авторском варианте удалось ослабить вторую гармонику до уровня шумов ГПД.

Для наглядности на рис.4 приведены спектрограммы трех сигналов : ГПД, Г4-102, Г4-116. При расстойках 1кГц уровень шума у генератора Г4-102 фиксируеться на уровне -80dB , у Г4-116 -85dB и у ГПД на уровне -90dB. Шумовая дорожка при больших расстойках у ГПД находиться на уровне -93dB. Как известно, у хороших генераторов или синтезаторов уровень боковых шумов относительно основного сигнала находиться в интервале -90-100dB.

На этом же рисунке показан уровень шумов одного детектора, который при данной звуковой карте (Yamaha S-YXG50) достаточно низок и равен -100dB. Уровень шума самой ЗК с подключенным входом на 3-4dB ниже. Из чего делается вывод, что это устройство обладает большой разрешающей способностью. В компьютере с интегрированной ЗК собственные шумы оказались выше на 6-8dB.

Далее в ГПД включаем режим качания частоты и на экране наблюдаем АЧХ исследуемого фильтра. Регулируя и подбирая элементы согласования, добиваемся минимальной неравномерности в полосе пропускания при приемлемом коэффициенте прямоугольности. В качестве примера на рис.5 приведена АЧХ ФП2П4-410, из которой хорошо видно какой это фильтр. Характеристики фильтра получились следующие: неравномерность в полосе пропускания 2dB , полоса по уровню -6dB равна 2,439кГц, коэффициент прямоугольности по уровням -6 и -60dB равен 1,72 , затухание в полосе задерживания более 70dB, что хорошо согласуется с паспортными данными. Необходимо отметить, что показанная АЧХ КФ представлена в режиме запоминающего вольтметра.

На рис.8 приведена спектрограмма с почти полной полосой обзора 100Гц-20кГц, на которой хорошо виден уровень третьей гармоники и соответствующий ей 'дубль' АЧХ исследуемого фильтра. Там же просматривается достаточно большой подъем АЧХ ниже 1кГц. Это объясняется попаданием в полосу анализа помех от сети 50Гц и ее гармоник, а так же , как уже указывалось выше, сигнала генератора качающей частоты и его гармоник. На этом участке АЧХ разрешающая способность АС снижается как минимум на 20dB, что вынуждает прилагать дополнительные усилия для более качественного изготовления приставки.