SPEKTRUM ANALIZÁTOR
Azok az amatőrök, akik saját maguk kedvére és szórakoztatására építenek különböző elektrotechnikai eszközöket és készülékeket, nem valószínű, hogy drága mérőműszereket vásárolnak maguknak. Én is közéjük tartozom, ezért úgy döntöttem, hogy megpróbálok egy aránylag egyszerű, mégis használható készüléket készíteni bejövő jelek spektrumának indikálására, illetve szűrők átviteli karakterisztikájának oszcilloszkópon történő megjelenítésére.
Fordítóként a szakmai ártalom „súlya” alatt sokat gondolkodtam, hogyan lehetne elnevezni ezt a kis készüléket. A nemzetközi szakirdalomban vobbler-ként vagy sweep generátorként is hivatkoznak rá, de vajon melyik a magyarosabb? (Hi) A vobbler egy kicsit erős kifejezés rá, a sweep generátor pedig csak egy része a készüléknek. Az olyan magyar(os) kifejezések pedig, mint az „eltérítőjel-generátor”, „fűrészfog-generátor”, „kitérítő generátor” csak mégjobban megzavarnák az eddig kialakult szókincsünket, ezért én maradnék a spektrum analizátornál, mégha a kritikusabb amatőrtársak meg is jegyzik, hogy még ez is egy kicsit erős kifejezés a műszer funkcionalitásának jellemzésére. Ezért is fogalmaztam a bevezetőben óvatosan, amikor azt írtam, hogy a műszer bejövő jelek spektrumának indikálására, illetve szűrők átviteli karakterisztikájának oszcilloszkópon történő megjelenítésére szolgál.
Az alapötletet az adta, hogy szerettem volna tudni, milyen szinten vannak jelen a keverési termékek egy keverő utáni kimenő jelben, és milyen optimális megoldású szűrővel tudom a nemkívánatos jeleket kiszűrni. A másik cél, amelyet magam elé tűztem, az a saját készítésű kristályszűrők átviteli karakterisztikájának vizuális megjelenítése volt oszcilloszkóp képernyőjén. A készülék jelenlegi formájában és kisebb átalakításokkal természetesen más feladatokra is használható, mint pl. frekvenciamérés, vagy valóságos spektrum-analizálási feladatok. Ezen feladatok során ugye meg akarjuk mérni egy spektrum által tartalmazott összes jel frekvenciáját és esetleg amplitúdóját. Mivel az oszcilloszkóp és a frekvenciamérő egyszerre csak egy jel adatait tudja mérni, ezek az eszközök közvetlenül nem alkalmasak erre, de ha a negyfrekvenciás jel-spektrumból kiválogatjuk az összetevőket, majd egyenirányítjuk, az már akár analóg műszerrel is mérhető, illetve oszcilloszkóp képernyőjére kirajzolható.
Alapelv és működés
Az alapelv az, hogy egy elvileg ismeretlen frekvenciájú bejövő jelet összekeverünk egy ismert frekvenciájú jellel (szignálgenerátor), akkor a fix KF ismeretében egy egyszerű összeadással vagy kivonással ki lehet számolni az ismeretlen jel frekvenciáját, és mivel a KF-szűrő után már csak egy bizonyos jelről beszélhetünk, úgy a frekvenciája, mint az amplitúdója egyértelműen mérhető. A szignálgenerátort elhangolva egy másik jelet lehet ugyanígy mérni (szuperheterodin vevő elve). Ha a szignálgenerátor frekvenciáját nem kézzel, hanem automatikusan, külső fűrészjellel varikap-diódán keresztül változtatjuk a mérési célok által meghatározott határok között (löket) másodpercenként 30-40-szer (sweep / söprési frekvencia), a rendszer alkalmassá válik arra, hogy rezgőkörök, szűrők, áramkörök átviteli karakterisztikáját oszcilloszkóp képernyőjén megjelenítsük. Az előbbiekből következik, hogy a fent említett funkciók és mérések megvalósításához a leírt kis készüléken kívül egy szignálgenerátorra és természetesen oszcilloszkópra van szükség, bár a két alapfeladat a beépített analóg műszer használatával is megoldható, ami ugyan nem olyan látványos, mint a szkóp képernyője, de a kitűzött mérési cél megvalósításának tökéletesen megfelel. A szignálgenerátor megkerülhetetlen, de erről később még szó lesz.
A készüléket elsősorban rövidhullámú mérésekre terveztem 30 MHz-ig, ezért minden alkatrészt ennek megfelelően választottam ki, amelyek egyébként a HAM-bazárban beszerezhetők.
A készülék blokkvázlata az 1. ábrán, kapcsolási rajza pedig a 2. ábrán látható. A spektrum analizátor a blokkvázlat bal, az átviteli karakterisztika indikátor pedig a jobb oldalán látható, a közös egységek (a szignálgenerátor és az AM demodulátor az analóg műszerrel, illetve az oszcilloszkóp csatlakoztatása) középen láthatók.
A spektrum analizátor a bejövő jelet a T1-es 2N2369 tranzisztoron keresztül fogadja, amely némi szintemelést és elválasztást biztosít az IC1 keverő felé. Mindkét keverőt egyébként 612-es (NE612, SA612) kétszeresen kiegyenlített keverő és oszcillátor IC-vel terveztem. A keverőből kijövő jel egy két kristályból (10 MHz) álló szűrön keresztül jut a T3-T4 erősítőre (2 x BC547C), a D5-D6 demodulátorra (2 x OA 1160), illetve a T5 (BC 109) tranzisztorból és a körülötte lévő ellenállásokból és potencióméterekből álló feszültséghídra, amelynek a rendeltetése a műszer nullázása és maximális kitérésének a beállítása. Ez megkönnyíti a spektrum és átviteli karakterisztika mérését és felrajzolását (négyzetrácsos vagy milliméter-papírra) oszcilloszkóp hiányában. A műszer egy 100uA-es analóg műszer az értékek egyszerűbb leolvasása érdekében. A D5-D6 diódák által egyenirányított – a mérendő szűrő átviteli jellemzőinek megfelelően az idő függvényében változó amplitúdójú – jel az oszcilloszkóp függőleges eltérítő lemezeire kerül.
Külső oszcillátorként (szignálgenerátorként) célszerűen egy digitális kijelzős DDS oszcillátort alkalmaztam, amely az interneten rendelhető DDS-60 Kit-re (34 USA dollár áron abszolút megfelel a célnak) épült. A DDS-kit vezérlő áramkörét is az interneten találtam, a legegyszerűbb áramkör megfelel, a lényeg, hogy biztosítsa a DDS működését. Akit érdekel, a DDS-kit ezen a honlapon érhető el. A teljes DDS VFO-t saját tervezésű és készítésű digitális hangológombbal egy további cikkben tervezem bemutatni.
A készülék második blokkja az IC2-ből álló keverő, amelynek részét képezi a varicap diódával hangolt 1 MHz-es belső oszcillátor, illetve a az IC3-ból (TL 082) felépített fűrészjel-generátor.
Mivel az átviteli karakterisztika méréséhez periodikusan változó frekvenciájú jelre van szükség, a külső szignálgenerátor jele pedig nem ilyen, ezért született az a döntés, hogy a 612-es keverő IC belső oszcillátor áramkörét felhasználva egy fix alapfrekvenciájú oszcillátort építek, amelynek frekvenciája a külső fűrészjellel vezérelt varicap diódával viszonylag egyszerűen változtatható. Ezt a jelet összekeverjük a külső szignálgenerátor jelével, amely keverési termék képezi a mérendő egységre (rezgőkör, szűrő, áramkör) kerülő mérőjelet. A mérendő egységből kijövő jel a már említett demodulátorra és analóg műszerre, illetve az oszcilloszkóp Y bemenetére kerül indikálás céljából.
Mivel a mérőjelet a szignálgenerátor és az IC2 belső 1 MHz-es oszcillátora által előállított jelek összege vagy különbsége képezi a keverő kimenetén, a szignálgenerátort a mérendő szűrő alapfrekvenciájánál 1 MHz-el magasabbra vagy alacsonyabbra kell állítani. A belső oszcillátor frekvenciája elvileg nem kritikus, de gyakorlatiassági szempontból választottam a kerek 1 MHz-et, mert így nem szükséges papír-ceruza, vagy számítógép a szignálgenerátor frekvenciájának meghatározásához, illetve ezen az alacsony frekvencián könnyebb stabil oszcillátort készíteni. Az oszcillátor L tekercsét egy 10x10 mm-es TOKO tekercstestre tekertem a csévetest 4 szekciójába 10-10 menetet (így összesen 40 menet) néhány tized mm átmérőjű huzalból, hogy beférjen a 40 menet. Behangolása 1 MHz-re a vasmaggal egyszerűen történik a K2 kapcsoló „Kézi” állásában. A keverőből kijövő jelet a T2 tranzisztor elválasztja a mérendő egységtől, illetve megemeli némileg a szintjét.
A fűrészjel-generátor az IC3-as TL082 típusú IC köré épül néhány külső alkatrész felhasználásával. 10V-os stabilizált tápfeszültség esetén 6V kimenő feszültséget ad mindkét kimenetén. A fűrészjel a P3 10k potencióméterre kerül, amellyel a vezérlőjel amplitúdóját, tehát a löketet állíthatjuk be, a szinronizáló négyszög-jel pedig az oszcilloszkóp külső szinkron bemenetére kerül. Használható a szkóp belső szinkronjele is, de ebben az esetben nagyon nehéz stabil álló képet kapni a képernyőn. A fűrészgenerátor által előállított jel a 3. ábrán látható.
Felépítés
A készülék 5 egyszerű egységből áll: az IC1 keverő köré épülő spektrum analizátor (Spektr 1), az IC2 keverő és belső oszcillátora által képzett sweep generátor (Spektr 2), a demodulátor és analóg műszeres kijelző (Spektr 3), illetve a sweep jelet szolgáltató IC3 áramkör (Spektr 4) és természetesen a tápfeszültségeket (stabilizált 8V és 10V) adó tápáramkör (Spektr 5)(4. ábra). A tápegységre nem érdemes túl sok szót vesztegetni, egyszerű 7808-as és 7810-es stabkockákból és a szűrőkondenzátorokból felépített egységről van szó.
Valamennyi egységet a Rádiótechnika 2009/12 illetve a 2010/1-2 havi számaiban közölt LochMaster tervező programmal terveztem próbapanelekre még abban a stádiumban, amikor kísérleteztem a programmal, illetve a próbapanelekkel. Ezért történt, hogy a bemeneti egység a kereskedelmi forgalomban kapható gyári próbapanelen, a többi pedig saját készítésű próbapanelen készült. A kész panelek képe az 5. ábrán látható. Az 5.1 ábrán a LochMaster-el tervezett panelek beültetési képei láthatók. A halványabban látszó alkatrészek a panel másik oldalán vannak beforrasztva. Az eredeti LochMaster fájlok a következő linkekről letölthetők: Spektr 1, Spektr 2, Spektr 3, Spektr 4.
Az egységek összekapcsolását a 6. ábra mutatja. A fizikai összeépítéssel és huzalozással nem foglalkoznék túl sokat, azt mindenki saját belátására és lehetőségeire bízom. Ötletként bemutatok néhány képet az általam alkalmazott megoldásról.
Én egy úgynevezett alaplapot alkalmaztam (szintén próbapanelből), amelyen a négy alapegységet egy-egy tüskés sorcsatlakozóba szúrtam be (7. ábra és 8. ábra). A tápegység két stabilizáló IC-je és a szűrőkondenzátorok az alaplapon szabad szereléssel kaptak helyet (8. ábra). A készülék belső képe a helyükre illesztett panelekkel a 9. ábrán és a 10. ábrán látható. A készülék előlapját a 11. ábra mutatja.
Mérés
Spektrum. A bejövő jelek frekvenciáját a szignálgenerátor kijelzőjéről olvashatjuk le természetesen 10 MHz-es különbséggel a 10 MHz-es KF miatt. Ez a mérés természetesen feltételezi, hogy legalább hozzávetőlegesen tudjuk a bejövő jel frekvenciáját, hiszen pl. egy 7 MHz-es bejövő jelet a szignál 3 MHz-es és 17MHz-es kimenő jelével is indikálhatunk. A jel amplitúdója csak viszonylagos, hiszen a műszer kitérése a potméterekkel szabályozható.
Szűrő sávszélesség. A készülék külső szinkron és Y kimeneteit csatlakoztassuk az oszcilloszkóp megfelelő bemeneteire, az időállandót állítsuk 1 és 5 mS közé, a szinkronkapcsolót külső szinkronra. A mérendő szűrőt se felejtsük csatlakoztatni a készülékhez (Hi). Megjegyzendő, hogy a készülékben nem alkalmaztam lezárásokat a szűrő elején és végén, hiszen minden szűrő más lezáró impedanciát kér. Ezt az alkalmazott szorító-rugós csatlakozókkal könnyen meg lehet oldani, hiszen egy-egy ellenállás beszorítható a szűrőcsatlakozó mellé (ismeretlen lezárási követelmények esetén néhány száz ohm és 1 kohm közötti lezáró ellenállással nagyot nem tévedhetünk). A K1 kapcsolót állítsuk a felső „A” (Átvitel), a K2-t „Aut” (automata) állásba, a P3 „Löket” potmétert kb. félállásba. A szignálgenerátorral álljunk a mérendő szűrő frekvenciája + 1 MHz-re, majd a hangológombot addig tekerjük mindkét irányt próbálgatva, amíg az oszcilloszkóp képernyőjén meg nem jelenik a 12. ábrán is látható jelalak. Az oszcilloszkóp (időállandó, bementi osztó, vízszintes és függőleges eltolás)) és a műszer (löket) kezelőgombjaival keressük meg a szemünknek „legkellemesebb” jelalakot.
A 3dB-es sávszélesség méréséhez az oszcilloszkóp képernyőjén lévő mérőhálót használjuk, annak is a középső függőleges szálát. Ha az átviteli karakterisztika már megjelent a képernyőn, észrevehetjük, hogy a szignálgenerátor elhangolásakor a karakterisztika képe vízszintesen elcsúszik a képernyőn. Ezt használjuk fel arra, hogy frekvenciában megmérjük azon két pont közötti távolságot a karakterisztikán, amelyet a teljes amplitúdó 0,7-részénél meghúzott vízszintes vonal és maga a karakterisztika vonalának metszéspontjai adnak ki. A középső függőleges mérőszálat először az egyik metszéspontra, majd a szignál elhangolásával a másikra állítva, a két frekvencia közötti különbség adja a szűrő 3dB-es sávszélességét (14. ábra és 15. ábra).
Markerjel hiányában ezzel a módszerrel abszolút frekvencia nem mérhető, csak pontok közötti – frekvenciában mért – távolság.
Az analóg műszer használata esetén a helyzet még egyszerűbb, és ebben az esetben abszolút frekvencia is mérhető, hiszen az átviteli karakterisztika négy sarokpontja a műszeren egyértelműen indikálható (ne felejtsük a műszert lenullázni egy olyan frekvencián, amely még biztos nem megy át a szűrőn, illetve a K2 kapcsolót „Kézi” állásba állítani), a frekvencia pedig a szignál kijelzőjén az 1 MHz-es különbség figyelembevételével leolvasható.
Végül a két mérési elrendezés. A 12. ábrán egy 10,7 MHz-es gyári kvarcszűrő átviteli karakterisztikája látható az oszcilloszkóp képernyőjén (az 1 MHz-es sweep-oszcillátor miatt 9.693 MHz kijelzéssel), a 13. ábrán pedig a középhullámú Kossuth Rádió „jele” látható a műszeren (itt pedig a 10 MHz-es KF miatt 10.540 MHz a kijelzés).
A megépítéshez és használathoz sok sikert kívánok!