Синхронно-фазовый детектор

Печатные платы, программируемая логика, разработка и изготовление аппаратуры

Moderator: Shaos

User avatar
Lavr
Supreme God
Posts: 16712
Joined: 21 Oct 2009 08:08
Location: Россия

Синхронно-фазовый детектор

Post by Lavr »

-
Я несколько увлёкся в последнее время КВ диапазоном, хотя никогда ранее этим всем не увлекался.
И честно говоря, толчком послужила вот эта довольно простая, хотя и странная конструкция:
РАДИОСТАНЦИРЕ ПЁР ЛАМПА http://www.nedopc.org/forum/viewtopic.php?p=162647#p162647 :wink:
когда я рассчитал её контуры, выяснилось, что сконструирована она на 27 мегагерц, что сразу
вызвало у меня интерес - а почему так? Вроде как не любительский диапазон... :roll:

Почитав Интернет, неожиданно для себя узнал про диапазон СиБи, про "пионерский" диапазон, про
"радиохулиганов" на 3 МГц и т.п. Стало интересно послушать всё это, поскольку, как мне казалось,
все "шарманщики" с лампой 6П3С давно ушли на пенсию... :)

Ну и поскольку я никогда ранее этим не интересовался, напряг поисковики - где и кто и когда
вещает, какие прохождения и т.п. Если кому-либо это интересно, вот самый лучший обзор этой
информации, на мой взгляд:
https://swl.net.ru/swl/raspredelenie-polos-chastot-korotkovolnovogo-diapazona

Но в процессе поиска удивило меня, что весьма часто встречается конструкция, которой "в обед
если не 100 лет, то уж точно 40 лет"! :roll:
FM_dec-0.PNG
А. Захаров, «УКВ ЧМ приемники с ФАПЧ», Радио №12, 1985, С.31-33.

Её давно принято называть «приёмник Захарова» или «схема Захарова», но в то время она меня никак
не интересовала, поскольку УКВ вещания по месту жительства просто не было. :(
Хотя статью я читал, и вызвала она ещё большее недоверие:"Это преобразователь частоты с совмещенным
гетеродином, выполняющий одновременно и функции синхронного детектора.
"
Ага... ну да... ну да... и всё это на одном транзисторе?! :lol:

Мнения в Интернете по поводу этой схемы примерно 50% на 50%.
У одних она "работает сразу и ловит все станции", у других она "сложна в настройке, повторил не один
раз, но так и не заработала...
"
Но к действиям меня подтолкнул один автор на Дзен, который частично рассчитал схему в LTSpice.
«ФМ-приёмник с ФАПЧ. Для начинающих.» https://dzen.ru/a/Zyufa9J6rUa-KYPU?ysclid=mcnccc2bkg432069750

Я обычно не рискую рассчитывать схемы в диапазоне выше 10 MHz, но тут подумал, что видимо, это моё
личное предубеждение, чем мой Spice-то хуже? :o Разве что графическим интерфейсом...
Заодно было интересно посмотреть в деталях, как выглядит это синхронно-фазовое детектирование да ещё
и с ФАПЧ на одном транзисторе. :wink:

Ну прежде всего я решил получше узнать, а что я, собственно, собираюсь увидеть?
Самая доходчивая теория есть здесь: https://jais.ru/media/files/support/Fazovyij_detektor.pdf
Формул там прилично, но две картинки и вступление на словах дают весьма много для понимания, почему
гетеродин в «схеме Захарова» работает на половине частоты радиостанции, для чего нужна его
синхронизация входным сигналом и почему амплитуда сигнала гетеродина должна быть максимальной.
Да, действительно, «схема Захарова» - это «Фазовый детектор на встречно-включенных диодах», хотя
ни одного диода там нет, но в роли диодов выступают p-n-переходы всё того же единственного транзистора
гетеродина плюс ко всему прочему... (он ещё и усилитель НЧ по схеме ОБ в этой конструкции!). :o

Я, кстати, проделал, что прописано в Fazovyij_detektor.pdf, потому как формулы - формулами, но
похоже, что авторы не дезинформируют народ... :kruto:

Ну и переходя к «схема Захарова», первое и главное - это чтобы запустился генератор.
Ориентировочное условие для этого - падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера - 100...200 mV.
Подбирается фактически ток коллектора резистором в цепи базы (при этом лучше отцепить временно
конденсатор в колебательном контуре в цепи коллектора
), в дальнейшем этим же резистором добиваются
максимальной амплитуды сигнала гетеродина.
FM_dec-1.png
Я добивался максимально неискаженной синусоиды этим же резистором в цепи базы (осциллограмма а).
Автор же ресурса «ФМ-приёмник с ФАПЧ. Для начинающих.» оставил синусоиду с искажениями.
Далее смотрим условия синхронизации, подбирая входной сигнал, это удобно делать в режиме «X/Y»,
(осциллограмма б) - синхронизации нет, но сигналы близки по частоте;
(осциллограмма в) - произошел захват частоты гетеродина входным сигналом, синхронизация произошла.

Теперь можно подать входной частотно-модулированный сигнал.
(В вещательном ЧМ-радиовещании принята девиация ±75 кГц при максимальной частоте модуляции 15 кГц,
что обеспечивает необходимое качество передачи стереофонических программ.
)
Я выбрал частоту модуляции 10 кГц, индекс модуляции 5, что обеспечивает девиацию ±50 кГц (надеюсь).
FM_dec-2.png
Согласно первоисточнику "...напряжение полезного сигнала поступает на фазовый детектор, к которому
приложено также напряжение от перестраиваемого гетеродина. В фазовом детекторе происходит
перемножение этих напряжений, в результате чего образуется частотный спектр продуктов детектирования.
"
Это хорошо иллюстрирует (осциллограмма а) - напряжение в верхней точке колебательного контура.

"Фильтр нижних частот выделяет из него постоянную и низкочастотную составляющие, которые
подаются на усилитель постоянного тока и звуковых частот.
"
А это хорошо видно на (осциллограмме б) - сигнал после ФНЧ.
Для сравнения я наложил вторым лучом сигнал 10 кГц от отдельного источника.
На (осциллограмме б) также видно, что ФНЧ сдвигает сигнал по фазе.

Подытожив все эти результаты моделирования, можно отметить, что «приёмник Захарова» на 1 транзисторе
действительно неплохо справляется со всеми возложенными на него функциями, несмотря на простоту. :kruto:

Все проекты моделирования прикреплю в архиве постом ниже, поскольку исчерпан лимит вложений. :-?

А кому интересно, как это реально звучит, на обеих "хх-трубках" можно набрать в поиске фразу:
«приёмник по схеме А.Захарова», и по крайней мере 4 удачных примера можно услышать и лицезреть.
You do not have the required permissions to view the files attached to this post.
iLavr
User avatar
Lavr
Supreme God
Posts: 16712
Joined: 21 Oct 2009 08:08
Location: Россия

Re: Синхронно-фазовый детектор

Post by Lavr »

Здесь в архиве файлы проектов EWB:
FM_DECODER.zip
А здесь - оригинал статьи А.Захарова и копии из интернета удачных реализаций этой конструкции.
Вдруг кто захочет в выходные дни с ребёнком сделать... :wink:
УКВ ЧМ приемники с ФАПЧ.zip
Подборку делал для себя - а вдруг модель не заработает, что подкрутить надо? :roll:

Чем меня эта схема зацепила, да тем что детекторный приёмник сейчас детям показывать глупо,
там одни помехи на ДВ-СВ, так что и приёмники прямого усиления делать тоже бестолку... :(

А вот на УКВ у меня "Радио Комсомольская Правда" долбит так, что, думается мне, светодиод
через детектор зажечь можно! :lol:
Ну а уж "приёмник Захарова" по идее должен "взыграть как из пушки", тем более, что и автор
рекомендовал послушать его через высокоомный наушник, а транзистор не критичный, -
люди КТ315 ставят и другие современные высокочастотные транзисторы.
You do not have the required permissions to view the files attached to this post.
iLavr
User avatar
Lavr
Supreme God
Posts: 16712
Joined: 21 Oct 2009 08:08
Location: Россия

Re: Синхронно-фазовый детектор

Post by Lavr »

Lavr wrote: 06 Jul 2025 04:09Я обычно не рискую рассчитывать схемы в диапазоне выше 10 MHz, ...
Это было тяжелым наследием прошлого. :wink: Когда не было всех этих пакетов, считать схемы приходилось
вручную и популярным был численный метод Рунге-Кутты, а у кого ЭВМ были послабее, приходилось
использовать метод Рунге-Кутты-Мерсона с автоматическим выбором шага - он ускорял расчет, но
из-за переменного шага создавал затруднения при необходимости рассчитать спектр сигнала.
Численные методы Рунге-Кутты не являются абсолютно устойчивыми, поэтому всегда приходилось
искать компромисс между точностью расчета и скоростью расчета, что во многом определялось
выбором шага.

Поэтому когда меня впервые "попучило" рассчитать вот такую схему:
barier-gen-1.png
я не рискнул считать в десятках мегагерц, а спустился как раз к 10 МГц.

Оглядываясь назад, понимаю, что переосторожничал. :-? Пакет EWB 5.12 Pro у меня впервые появился
на десктопе с P-166, и там бы всё получилось хорошо, хотя и, возможно, медленно...
Но у меня и на 10 МГц результаты получились правильные.

Это, кстати, основная головная боль численных расчетов в прошлом - ну ты что-то насчитал...
А насколько это соответствует истине? Может это машинная ошибка расчёта? :roll:
На этом разбивали себе голову исследователи динамического хаоса, пока не появилась знаменитая
схема Чуа, вся прелесть которой была в том, что она при своей простоте позволяла на опыте
проверить, а не врут ли численные расчеты хаотических режимов? :lol:

Схема же, которую я привёл выше, это - генератор на транзисторах в "барьерном режиме".
Впервые я с ней столкнулся ну ооооочень давно, в старых журналах Радио, был тогда такой
весьма популярный автор - Е.Гумеля - конструировал довольно интересные супергетеродинные
приёмники. В одной из его конструкций я и увидел впервые этот генератор в качестве гетеродина.

Схема подкупает своей простотой в сравнении со всеми трёхточками. И Е.Гумеля, как я помню,
подробно расписал все её особенности, чем скорее даже напугал фактом её применения... :ebiggrin:

Главная особенность, которая перевешивает всё остальное: генератор на транзисторах в
"барьерном режиме" запускается практически всегда и фактически с любым контуром, не
взирая на его добротность.


А вот как он работает в качестве приёмника на УКВ, было не совсем понятно. Ну ясно что
сигнал радиостанции захватывает сигнал генератора, а звуковая НЧ-то откуда возникает? :roll:
Вот этот вопрос и сподвигнул меня к расчетам в EWB.
Принцип, как оказалось, довольно простой:"генератор синхронизируется сигналом принимаемой
радиостанции, в результате чего частота генератора изменяется синхронно с частотой принимаемого
сигнала. Поскольку при этом параметры частотозадающего контура не меняются, то ток,
потребляемый гетеродином будет изменяться в такт изменению частоты входного сигнала,
и соответственно так же будет меняться падение напряжения на резисторе в цепи питания
".
http://zpostbox.ru/prostoi_sinkhronnyi_fm_priemnik_na_tranzistorakh.html

Чтобы все сомнения навсегда отмести, я по-быстрому "нарисовал" этот генератор в EWB с контуром
от приёмника А.Захарова - запустился, как и раньше, с пол-пинка! :kruto:
barier-gen-2.png
Немного о недостатках: частота сигнала этого генератора снимается обычно с контура, поэтому
следующий каскад должен контур не нагружать - обычно эмиттерный повторитель или полевик ставят.
Сам генератор имеет собственную ёмкость, поэтому на ВЧ генерирует на частоте, отличающейся от
частоты, задаваемой LC контура, но может загенерировать на одной катушке.
Барьер для кремниевых транзисторов 0.6...0.7 В (для германиевых 0.2...0.3 В) поэтому амплитуда
выходного сигнала не превысит эти значения. Но, говорят, что это также и плюс схемы: контур
работает в режиме микротоков, поэтому не греет катушку, отсюда частота весьма стабильна при
стабилизации напряжения питания.
Ну и синусоида, как говорят, весьма хорошая - гармоники в спектре весьма малы.

Собственно, со временем генератор этот стал весьма популярен, в литературе у него множество
других названий, и что только не делают на его основе, в частности, различные измерительные
и радиочастотные схемы такого типа:
детектор-1246160696.png
Я, честно говоря, вспомнил про этот генератор из-за потуг своих сделать что-то на 27 МГц.
Нет у меня аппаратуры на этот диапазон частот. Вот предполагаю контуры с его помощью предварительно
настроить - первая гармоника как раз должна попасть в УКВ диапазон.
Как там писали для приёмника А.Захарова:"Для проверки работы гетеродина нужно приблизить к его
катушке изолированный провод, соединенный с антенным входом любого другого радиоприемника,
имеющего УКВ ЧМ диапазон. Колебания гетеродина должны прослушиваться на вспомогательном приемнике
как шипящий звук...
"
You do not have the required permissions to view the files attached to this post.
Last edited by Lavr on 07 Jul 2025 06:12, edited 2 times in total.
iLavr
User avatar
Lavr
Supreme God
Posts: 16712
Joined: 21 Oct 2009 08:08
Location: Россия

Re: Синхронно-фазовый детектор

Post by Lavr »

Lavr wrote: 06 Jul 2025 04:09Пакет EWB 5.12 Pro у меня впервые появился на десктопе с P-166, и там бы всё получилось хорошо,
хотя и, возможно, медленно...
Несколько замечаний по поводу расчета разными пакетами моделирования...
Я уже тут писал по этому поводу, но тогда всё касалось по большей части цифровых систем.
http://www.nedopc.org/forum/viewtopic.php?p=100323#p100323

На https://kazus.ru/forums/forumdisplay.php?f=25 эти вопросы рассматривали весьма подробно.
Но, тем не менее, когда я сам что-то ищу по разным форумам Интернета, часто стал натыкаться
на примерно следующую ситуацию:
- Я собрал LC-генератор в Electronics Workbench, а он не работает. Помогите!
Это ещё неплохой вариант, бывает хуже...
- Я собрал LC-генератор в Electronics Workbench, и он не заработал. А потом собрал то же
самое в Circuit Sim и всё заработало! Эх и г...но этот Electronics Workbench!
Интересное обычно происходит дальше. Обычно находятся всё же более или менее квалифицированные
советчики (что в общем-то радует!), вот только советы они дают вопрошающему правильные, но лишь
для того случая, как если бы он реально СПАЯЛ свою схему на макете. Но зачастую всё определяется
не этим, а настройкой численного метода пакета схемотехнического моделирования.

В Electronics Workbench по старту всё выглядит вот так:
EWB-2_.PNG
По умолчанию включен численный метод трапеций для интегрирования, точность довольно невысокая,
автоматический выбор шага и предварительный расчет рабочих точек анализируемой схемы.
Пакет Electronics Workbench 5.12 работал ещё под Windows 3.1...3.11, и для тех слабеньких машин
параметры выбраны довольно неплохие для расчета большинства простых схем с приемлемой скоростью.

Но существует значительное количество схем и, в частности, автогенерирующие схемы, системы уравнений,
описывающие их, относятся к классу т.н. "жестких". Я специально пошарил поисковиками, чтобы доходчиво
пояснить этот термин, но самое лучшее, что я нашел, звучит примерно так:
"...точного определения жестких систем нелинейных дифференциальных уравнений до сих пор не существует,
но вполне справедливо, что к этому классу относятся системы плохо поддающиеся интегрированию явными
численными методами Эйлера, трапеций, Рунге-Кутты...
" :ebiggrin:
Lavr wrote: 06 Jul 2025 04:09 Численные методы Рунге-Кутты не являются абсолютно устойчивыми, поэтому всегда приходилось
искать компромисс между точностью расчета и скоростью расчета, что во многом определялось
выбором шага.
То есть метод трапеций, включенный в EWB по умолчанию, априори не совсем хорошо подходит для расчета
некоторых генераторов, демонстрирующих сложные режимы генерации (если просто).

Для таких случаев лучше выставить в Electronics Workbench следующие настройки:
EWB-5_.png
Метод Гира 6 порядка с довольно высокой точностью. Метод Гира относится к неявным методам и
считается абсолютно устойчивым. Что это значит на практике?

Считаем мы, к примеру, методом трапеций релаксационный генератор с хорошей точностью.
Все численные методы "не любят" резкого изменения какого-либо параметра.
Профессионалы обычно говорят:"нелинейность должна быть гладкой" или даже "хорошей".
Серьёзно это значит примерно следующее: не иметь разрывов и иметь производные до нужного
порядка, возможно, и ещё что-то, но они договорились называть такие системы "хорошие". :wink:

Так вот неустойчивый метод типа трапеций может в критичный момент уйти по экспоненте
к напряжению питания, и моделируемое устройство якобы прекратило генерацию. На самом деле
метод интегрирования "потерял устойчивость" - он не вернулся с заданной точностью к
правильному решению (это весьма упрощённо, но "на пальцах" примерно так).
Метод Гира в этот момент тоже будет испытывать сложности, он исказит решение, но поскольку
он абсолютно устойчив, то вернётся к правильному решению, и мы получим-таки свои колебания
релаксационного типа, хотя несколько не совсем точно соответствующие оригиналу.

Но в принципе-то все численные методы - это некоторое приближение к оригинальному решению
с заданной точностью
.

Параметр, количество точек на экран, выбранный равным 4000, повышает качество графического
отображения решения на экране "осциллографа". В Proteus такого параметра нет, поэтому график
порой может быть весьма некрасивым - кусочно-линейным.

Image

Параметры 9000 и 4000 в принципе желательны на современных компьютерах с частотами процессора
2 и более ГГц - повышая точность, они замедляют работу Electronics Workbench до приемлемой
скорости, иначе "осциллограмма" начинает мелькать практически мгновенно.

Выбор начальных условий интегрирования "set to zero" очень важен именно при моделировании
генераторов. Генераторы "с мягким возбуждением" как раз начинают свою работу от малого
начального "толчка" при включении, а условия "set to zero" собственно и означают, что все
конденсаторы замкнуты, все индуктивности разомкнуты, т.е. напряжения на конденсаторах равны
нулю и токи в индуктивностях равны нулю.

Ну и последнее - не касается численных методов, а касается работы Electronics Workbench в
современных Вендах. Графическая оболочка Electronics Workbench вступает в конфликт с графикой
Венды начиная с версий, где появилась прозрачность. Поэтому при перетаскивании элементов
по экрану проекта Electronics Workbench за ними остаётся черный след. Он в принципе особо не
мешает, и когда всё нарисовано, достаточно свернуть окно Electronics Workbench и развернуть его.

Но можно открыть вкладку совместимости для программы WEWB32.EXE (это и есть Electronics Workbench),
и выставить либо "Отключить визуальное оформление" и "Отключить композицию рабочего стола", либо
"Запустить программу в режиме совместимости с Windows XP (пакет обновления 3)". Это зависит
от используемой версии Windows. Визуально - у всех окон отключится прозрачность. После выхода
из Electronics Workbench графическое оформление окон восстановится.
You do not have the required permissions to view the files attached to this post.
iLavr