Приемник эталонной частоты своими руками
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 04.10.2024
— измерить частоту генерации в пределах от 10 кГц до 70 МГц
— измерить резонансную частоту любого контура в диапазоне от 10 кГц до 70 МГц, оценить пределы её перестройки штатными регулировками, а также индуктивность и ёмкость этого контура
— измерить индуктивность катушки от долей мкГн до десятков мГн, как отдельно взятую, так и смонтированную в конструкции
— оценить конструктивную (межвитковую) ёмкость и собственный резонанс любой отдельно взятой многовитковой катушки, дросселя или широкополосного трансформатора, а также проверить правильность фазировки его обмоток
— измерить начальную магнитную проницаемость неизвестных кольцевых магнитопроводов
— измерить ёмкость неизвестного конденсатора, постоянной или переменной ёмкости, в пределах от 1 пФ до 10 нФ
— определить тип диэлектрика импортного керамического конденсатора
А при необходимости щуп может выполнять роль импровизированного ГСС – просто добавьте ему воды контур!
Благодаря малому напряжению измерительного генератора, существенно меньшему напряжения открывания кремниевых переходов, все эти измерения можно проводить прямо в конструкции, без демонтажа элементов. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой радиоаппаратуры, особенно при отсутствии схем и описаний.
Ринат Шайхутдинов, г. Миасс
Катушки приёмника намотаны на стандартных четырехсекционных каркасах с габаритами 10х10х20 мм от катушек портативных приёмников и снабжены ферритовыми подстроечными сердечниками диаметром 2,7 мм из материала
30ВЧ. Все три катушки намотаны проводом ПЭЛШО (лучше) или ПЭЛ 0,15 мм. Катушка L1 содержит 4 витка, L2 – 12 витков, L3 – 16 витков. Витки равномерно распределяют по секциям каркаса. Отвод катушки L3 сделан от 6-го витка, считая от вывода, соединённого с общим проводом. Катушки L1 и L2 наматывают так: сначала в нижнюю секцию каркаса катушку L1, затем в три верхних секции – по 4 витка контурной катушки L2. Данные катушек указаны для диапазона 20 метров и ёмкости контурных конденсаторов С1 и С7 по 100 пФ. При желании изготовить этот приёмник на другие диапазоны полезно руководствоваться следующим правилом: Ёмкость контурных конденсаторов
изменяют обратно пропо рционально отношению частот, а число витков катушек – 28 обратно пропорционально корню квадратному из отношения частот. Например, для диапазона 80 метров (отношение частот 1:4) ёмкость конденсаторов надо
взять 400 пФ (ближайший номинал 390 пФ), число витков катушек L1…3 соответственно 8, 24 и 32 витка. Разумеется, все эти данные ориентировочные и нуждаются в уточнении при настройке собранного приемника. Дроссель L4 на выходе УНЧ – любой фабричный, индуктивностью от 10 мкГн и выше. При отсутствии такового можно намотать 20…30 витков любого
изолированного провода на цилиндрический подстроечник диаметром 2,7 мм от контуров ПЧ любого приёмника (там используют феррит с проницаемостью 400 – 1000). Сдвоенный КПЕ использован от УКВ блоков промышленных радиоприёмников, такой же, как и в предыдущих конструкциях автора, уже опубликованных в журнале. Остальные детали могут быть любых типов. Эскиз печатной платы приёмника и размещение деталей показаны на рис. 2.
QRP приемник ПП на 40 метров
Ринат Шайхутдинов
Приемник показал хорошие результаты, обеспечив качественный прием многих любительских станций, поэтому была разработана печатная плата. Схема приемника претерпела небольшие изменения: на входе УЗЧ, выполненного на распространенной микросхеме LM386, установлен разделительный конденсатор.
Это повысило стабильность режима микросхемы и улучшило работу смесителя
Регулятором громкости с успехом служит входной аттенюатор. Данные катушек
были приведены в предыдущем номере, но, чтобы не искать, дадим их еще раз.
Каркасы катушек и КПЕ взяты от УКВ блоков, катушки подстраиваются
сердечниками 30ВЧ. L1 и L2 намотаны на одном каркасе, содержат 4 и 16 витков соответственно, L3 – также 16 витков, катушка гетеродина L4 – 19 витков с отводом от 6-го витка. Провод – ПЭЛ 0,15. Катушка ФНЧ L5 – импортная готовая, индуктивностью 47 мГн. Остальные детали – обычных типов. Транзистор 2N5486 можно заменить на КП303Е, а транзистор КП364 – на КП303А
Автор рассказывает об его экспериментах по приёму в так называемом ELF диапазоне: между 0 и, примерно, 25 Гц. Обычно, этот диапазон должен быть полностью свободен от сигналов, за исключением 16 Гц питания на железной дороге, резонанса Шумана и немногих сигналов естественного происхождения, обусловленных активностью Солнца. Но, к удивлению автора, там обнаружились и многочисленные сигналы искусственного происхождения, излучаемые неизвестными источниками постоянно, создаваемые электрическими токами, текущими по поверхности почвы и обнаруживаемыми визуально и ухом, при использовании звуковой карты в режиме “лупы времени"
Немного истории
Смолоду я был энтузиастом коротковолновой связи в диапазонах частот между 2 и 30 МГц. В начале девяностых годов прошлого века я заинтересовался приёмом сигналов на сверхдлинных волнах, как только узнал о радиосигналах естественного происхождения, таких как "sferics". Итак, я построил мой первый сверхдлинноволновый приёмник собственной конструкции на частоты от нескольких сотен герц до, примерно, 10 кГц и начал наблюдения.
Хотя электронная схема приёмника работала нормально, так называемые “свистунов”, я принимал с большими помехами: фоном переменного тока частотой 50 Гц (европейский стандарт) от электросетей переменного тока, окружающего нас повсюду. Несмотря на применение фильтрующих схем, фон не удаётся подавить, из-за наличия большого количества гармоник, которые он содержит.
Для чего же нужен приёмник на частоты ниже 50 Гц?
Только в теории этот фон (50 Гц) имеет синусоидальную форму. На практике его форма сильно искажена питаемыми от переменного тока электрическими машинами и сложной системой электропроводки силовых сетей. Эти искажения способствуют появлению гармоник, кратных частоте 50 Гц: 100, 150, 200, 250 Гц и т. д., - до килогерц. Конечно же, тот диапазон, который я собирался исследовать, был, просто, наводнён этими гармониками.
Дополнительно, фон 50Гц присутствовал почти везде: не только в помещениях, но и вдали от них, - на природе. Это происходит из-за того, что потребители электроэнергии частично используют естественный грунт в качестве “возвратного” проводника от нагрузки на электростанцию. Кроме того, все эти, пересекающие поля и леса высоковольтные ЛЭП, излучают сигнал частотой 50 Гц так, что будь здоров!
Встретившись со всеми этими проблемами, я решил бросить наблюдение в выбранном сначала диапазоне и переместиться ниже 50 Гц, в диапазон ELF. Так как гармоники существуют только выше основной частоты, то ниже 50 Гц диапазон оказался чистым. Но, на какие же сигналы естественного происхождения мог я рассчитывать в этом диапазоне частот?. Официально известно, что в этом диапазоне не существует промышленной или военной связи, но и в этом диапазоне можно найти сигналы, похожие на sferics, генерируемые естественными процессами в атмосфере – особенно, во время существования тёмных пятен на Солнце и полярных сияний.
Я собрал усилитель напряжения с коэффициентом усиления, примерно, в 240000 и фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий передаточную функцию с завалом 36 дБ на октаву и частоту среза ниже 50 Гц. Всё это может показаться, на первый взгляд, сложным, но, при использовании современных операционных усилителей (ОУ), задача для опытного радиолюбителя решается просто.
В качестве антенны я использовал самодельную катушку (рамочную антенну), имеющую 1000 витков диаметром 0,4 метра. Мысль изготовить антенну так, а не иначе, была больше результатом интуиции, нежели, эксперимента: я не знал ни единого источника информации на эту тему.
Блок-схема ELF-приёмника. Фон 50 Гц от каскада к каскаду всё более подавляется. Сигналы ниже 50 Гц от каскада к каскаду всё более усиливаются.
После того, как схема была собрана, я проверил её с помощью осциллографа с медленной развёрткой и магнита, вытащенного из старого автомобильного громкоговорителя (от динамической головки). Результат был просто фантастическим: даже на расстоянии в 10 метров, осциллограф реагировал появлением полноразмерной и чистой синусоиды, когда я медленно двигал рукой круглый (кольцевой) магнит (диаметром 6 см). С небольшими металлическими предметами, такими как ключи и отвёртки я получал такие же результаты, если расстояние до антенны уменьшалось до 2…3 метров. Машины, проходящие по улице (на расстоянии более 20 метров от антенны) приводили к перегрузке осциллографа – сигнал ограничивался (хороший датчик перемещения!).
Но, даже когда я подставил антенну к электрическому проводу, сигнал в 50 Гц не прослушивался, т. е., фона не было. Это являлось подтверждением прекрасной работы фильтра. Несмотря на огромное усиление, на сигнале не было шумов и помех: при отсутствии перемещения магнита, металлических предметов и автомобилей за окном, на экране осциллографа присутствовала только чистая горизонтальная линия. Но есть ли в этом диапазоне другие сигналы, кроме сигналов, создаваемых передвижением магнита, металлическими предметами и проезжающими автомобилями?
Только длительное наблюдение могло дать ответ на этот вопрос. Я вывел выходной сигнал приёмника и подал его на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в мой персональный компьютер (ПК). Дополнительно, я написал программу на языке Си, которая работает под DOS, которая позволяет автоматически сохранять сигналы на жёстком диске. Одновременно, сигнал воспроизводится на экране монитора, таким же образом, как это было на экране осциллографа. Чтобы избежать даже малейшей возможности появления фона переменного тока частотой 50 Гц, частота дискретизации выбрана равной точно 50 Гц. В соответствии с теоремой Shannon’а (а где же упоминание о Котельникове?!), при этом на жёсткий диск могут быть записаны сигналы до 25 Гц. (Согласно канонам вышеупомянутых теорем, верхняя обрабатываемая частота не может быть выше частоты дискретизации (частоты выборок), делённой на два – UA9LAQ).
Обработка и сохранение данных
До сего дня, я проводил сбор данных, примерно, 2-3 дня в неделю. Файлы, ограниченные по объёму 48 килобайтами (16-минутная запись), согласно распределению памяти в DOS, соединялись воедино в среде Windows и анализировались с помощью программного спектрального анализатора. Поскольку такой анализатор имеет минимальную частоту выборок 8 кГц, файлы с частотой выборок 50 Гц приходилось “прокручивать” в 160 раз быстрее, так что, неслышимый звуковой диапазон ниже 25 Гц сдвигался в более высокочастотную слышимую область. Это является большим преимуществом метода, поскольку человеческое ухо, до сих пор, является анализатором, который совершеннее любого известного “софта”. Другим достоинством убыстрения является возможность регистрации сигналов, имеющих большое время действия, которые в реальном времени распознать трудно.
Аналоговый ELF-приёмник с присоединённым к нему ПК, на экране которого присутствует сигнал типа 2.
Результаты этих исследований показались мне очень интересными и, в то же время, - странными. Вот краткие итоги того, что мне удалось выявить. Практически каждый день в разные часы, можно было принять (и принимался) целый набор странных сигналов, которые можно классифицировать следующим образом:
Сигналы типа 1
Приведена спектрограмма помех, состоящая из шумовых периодов в 20 секунд и 10 секундной паузы (в реальном времени). Группы этого типа, состоящие из постоянных соотношений сигнал/пауза, часто прерываются более длительными промежутками молчаниями, равными по длительности. Так что, любой намёк на естественное происхождение этих сигналов не выдерживает критики. Прокрученные в 160 раз быстрее, такие сигналы напоминают звуки старомодного паровоза. Изображение внизу показывает сжатый отрезок времени, равный примерно двум часам:
В некоторых случаях в шумовых периодах этого сигнала содержатся синусоидальные составляющие, модулированные по частоте, похоже, содержат какую-то информацию. Следующий пример показывает слабые сигналы этой же структуры, во время отсутствия сильного сигнала, что похоже на обмен данными между ближней и, находящейся на расстоянии, станциями (сигнал типа 1б).
Сигнал типа 1б – импульсы шума с синусоидальными компонентами, включая сигналы типа 2 в левой части. Прямая линия в верхней части изображения – сигнал частотой 16 Гц от силовых железнодорожных линий.
Сигнал типа 2
Такой сигнал появляется круглосуточно через неравные промежутки времени. Сигнал содержит много гармоник и длится несколько минут. Огибающая сигнала и его частота во время его действия меняются. Все принятые сигналы этого типа идентичны, вне зависимости от времени суток и времени года. Похоже, существует два источника этих сигналов, которые порой интерферируют друг с другом. Один из источников находится немного ниже другого по частоте. При прокручивании в 160 раз быстрее обычной скорости, этот сигнал звучит очень странно: похож на произносимое человеческим голосом очень медленно слово “Helloooo”.
Сигнал типа 3
Почти постоянно здесь присутствуют короткие сигналы постоянной частоты с большим числом гармоник. Обычно, они сгруппированы по два-три и звучат подобно гоготу гусей, при проигрывании в 160 раз быстрее.
Сигналы типов 2 и 3, записанные в одно и то же время (записанный временной промежуток примерно равен 1 часу).
Сигнал типа 4
Эта категория сигналов появляется не так часто и состоит из последовательности стабильных синусоид, частота которых скачком изменяется через определённый промежуток времени. В спектрально-временных координатах этот сигнал выглядит как ступенька. Воспроизведение сигнала со скоростью, превышающей реальную в 160 раз, даёт звучание, похожее на флейту. Эти сигналы также абсолютно идентичны на протяжение многих месяцев, что я занимался приёмом.
Здесь изображено три сигнала типа 4, сигналы записаны в три разных дня и даны для сравнения.
Сигнал типа 5
Через нерегулярные промежутки времени появляется очень сильный шумовой сигнал без какой-либо закономерности в структуре. Этот сигнал порой длится несколько дней. Амплитуда этого шума в 10 или даже более раз превосходит амплитуду всех вышеупомянутых сигналов.
Сильный шумовой сигнал типа 5.
Сигнал типа 6
Кроме известного синусоидального сигнала с частотой 16,66 Гц, создаваемого питанием электрических поездов, порой появляются сильные синусоидальные сигналы на частотах более низких и разных, которые временами прерываются, а временами вдруг переключаются на другие частоты и уровни. Прокручивание сигналов этого вида в 160 раз быстрее даёт звучание, похожее на телетайп, вид связи, который ещё можно найти на КВ.
Постоянные синусоидальные сигналы на разных частотах.
Широкая черта в нижней правой части изображения, это тот самый сигнал частотой 5 Гц, о котором много сообщалось до написания этой статьи.
Резонансом Шумана называется явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой.
Земля и её ионосфера — это гигантский сферический резонатор, полость которого заполнена слабоэлектропроводящей средой. Если возникшая в этой среде электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время.
Существует несколько гипотез возникновения электромагнитных волн в полости Земля-ионосфера.
Характеристики
После многочисленных исследований и перепроверок была точно определена частота резонанса Шумана — 7,83 Гц. Из-за волновых процессов плазмы внутри Земли наиболее чётко наблюдаются пики на частотах примерно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Для основной, самой низкой частоты, возможны вариации в пределах 7—11 Гц, но большей частью в течение суток разброс резонансных частот обычно лежит в пределах ±(0,1—0,2) Гц. Спектральная плотность колебаний составляет 0,1 мВ/м.
Интенсивности резонансных колебаний и их частоты зависят:
От времени суток. Ночью амплитуда резонансных волн меньше в 5—10 раз, из-за уменьшения скорости расхода воды в океанском конвейере (ОК), уменьшения взаимных скоростей петель ОК;
От времени года. В летние месяцы (с мая по август в северном полушарии) частоты резонансов повышаются[4]. В южном полушарии повышение частот резонансов происходит с ноября по февраль;
От местонахождения на земном шаре. Волны Шумана наиболее отчетливо выражены вблизи мировых очагов гроз: Африка, Южная Америка, Индонезия, Индия (в местах однонаправленных петель расхода воды в ОК). В приполярных регионах амплитудные пики на этих частотах уже не столь выражены (минимальная токовая составляющая вектора напряженности электрического поля Е). На полюсах максимален вектор напряженности магнитного поля Н, вектор Е минимален, на экваторе наоборот;
От солнечной активности. Во время магнитных бурь их интенсивность возрастает на 15 %. Есть случаи возбуждения частот в 12 500 Гц, что соответствует движению в ядре Земли на глубине 3,6 км от центра ядра Земли;
От скорости расхода воды в ОК;
Фаз луны;
Периодов солнечной активности.
Существуют мониторы Шумановских резонансов.
Я пользуюсь этим:
Для проверки работоспособности синтезатора был использован цифровой осциллограф Rigol DS1102E. В настройках канала было включено измерение частоты.
Осциллограф на выводах кварцевого резонатора показал измеренное значение 25.00 MHz, а на выходе синтезатора – 10.00 MHz. В принципе, это уже было неплохо: схема работала.
Проще всего калибровку синтезатора частоты методом биений было провести с использованием радиоприёмника с панорамным индикатором и сигнала радиостанции RWM в качестве контрольного сигнала.
В качестве контрольного приёмника использовался SoftRock RX Ensemble II с программой HDSDR. Шкала приёмника была ранее откалибрована по сигналам радиостанции RWM на всех трёх частотах: 4996000, 9996000 и 14996000 Hz. В качестве контрольного сигнала использовался сигнал радиостанции RWM на частоте 9996000 Hz.
На скриншоте виден приём секундных меток RWM на частоте 9996000 Hz и приём выходного сигнала синтезатора на частоте, примерно, 9997970 Hz. При задании частоты синтезатора использовалась константа 25000000 Hz (номинальная частота кварцевого резонатора). При проведении калибровки эта константа была умножена на отношение частот 9997970 Hz и 9996000 Hz. В результате было получено значение реальной частоты запуска кварцевого резонатора 25004927 Hz. Это значение было занесено константой в прошивку устройства. На скриншоте показан результат проведения калибровки:
Частота выходного сигнала синтезатора 9996 kHz точно соответствует частоте приёма секундных меток RWM на частоте 9996000 Hz.
После проведения калибровки осциллограф показал на выводах кварцевого резонатора – 25.00 MHz, а на выходе синтезатора – 10.00 MHz, т.е. те же самые значения, что и до калибровки.
Несущие сигналы вещательных станций тоже можно, при необходимости, использовать в качестве контрольных, т.к. они обычно имеют отклонение частоты не более 10 Hz от частоты вещания.
Краткие выводы
Наиболее простой и точный способ измерения частоты сигнала в радиодиапазоне — измерение частоты электронно-счётным частотомером.
Получить приблизительное значение частоты сигнала можно, приняв его на контрольный приёмник с калиброванной шкалой.
Читайте также: