Миниатюрный приёмник ATS Mini

Из Китая за полтора месяца приехал компактный всеволновой приёмник ATS Mini. Построен на популярной микросхеме SI4732 и позволяет принимать ДВ, СВ, КВ в том числе с однополосной модуляцией и УКВ диапазоны. Примечательно что однополосная модуляция официально не поддерживается в SI4732, но её реализуют через загрузку бинарного патча в DSP микросхемы.

Приёмник продавался на маркетплейсе как ATS Mini V4, но судя по виду корпуса и печатной платы это самая первая ревизия приёмника. Возиться с возвратом не стал, т.к. продавец сразу согласился компенсировать половину стоимости за "ошибку в описании". Понятное дело что про ошибку в описании это враньё и ему просто нужно сбагрить старую ревизию, но ждать ещё несколько недель мне не хотелось да и за половину изначальной стоимости он выглядит интересно.

Поскольку внешний вид корпуса отличался от фотографий в карточке товара, то приёмник был вскрыт для осмотра печатной платы.

Диапазонный полосовой фильтр на 4 диапазона

Мой супергетеродинный приёмник на диапазон 20 метров работает вполне неплохо, но пора добавить дополнительные диапазоны. Для начала решил ограничиться только четырьмя диапазонами:

• 80 метров (3,5 - 3,8 МГц) - нужно будет добавить дополнительную ёмкость в магнитную рамочную антенну чтобы она стала более низкочастотной.
• 40 метров (7 - 7,2 МГц)
• 20 метров (14 - 14,35 МГц)
• 15 метров (21 - 21,45 МГц) - после переделки антенны её верхний порог как раз должен приходиться на 22 МГц (сейчас это 25 МГц).

Для реализации мне потребуется собрать переключаемый ДПФ на эти диапазоны и добавить в ГПД функцию переключения диапазона и переключение верхней/нижней боковой полосы SSB.

В прошлый раз для ДПФ использовал каркасы для катушек индуктивности с подстраиваемым сердечником, а в этот раз буду использовать кольца из карбонильного железа К37-02 и К37-06 (по-идее это аналоги колец T37-2 и T37-6).

Фильтр использовал double-tuned circuit как и в прошлый раз. Номиналы конденсаторов и намоточные данные колец использовал из описания QRP Labs: Band Pass Filter Kit.

Кабель RG-174 из консервных банок

После нескольких итераций сборки супергетеродинного приёмника остался последний метр кабеля RG-174, отрезками которого я соединял платы в приёмнике между собой. Насколько я помню, конкретно этот кабель я купил в БелЧип и он производства Ruichi. На выходных поехал в "Чип и Дип" чтобы купить ферритовые кольца, микросхему EEPROM памяти для ГПД и заодно взять 5 метров кабеля RG-174, Кабель коаксиальный 50 Ом (9001920116) про запас.

В карточке товара не указан конкретный производитель, но в описании упомянут медный центральный проводник и ничего не сказано про материал оплётки. В PDF-ке, которая прикреплена к этой позиции, указан многожильный медный центральный проводник и алюминий покрытый медью в качестве материала оплётки.

Меня это устраивает, т.к. тот самый последний метр кабеля как раз такого типа. Если не повредить медное покрытие алюминиевых жил, то паять такую оплётку можно обычной канифолью.

Супергетеродинный приёмник на диапазон 20 метров

Переделал свой приёмник прямого преобразования (ППП) в супергетеродинный приёмник с одной промежуточной частотой (ПЧ). В текущем виде приёмник работает только с диапазоном 20 метров (14 - 14,35 МГц) и только верхней боковой полосой.

Структурная схема супергетеродинного приёмника с одной промежуточной частотой:

От прошлого приёмника повторно использованы диодный кольцевой смеситель и усилители высокой и низкой частот.

УВЧ для супергетеродинного приёмника

Продолжаю переделывать приёмник прямого преобразования в супергетеродинный. Уже готовы кварцевый полосовой фильтр, диапазонный полосовой фильтр на 20 метров и второй смеситель на ADE-1, который остался после сравнения с самодельным смесителем.

Подключил к приёмнику новый ДПФ (диапазонный полосовой фильтр), второй смеситель на ADE-1 и кварцевый полосовой фильтр. Сигнал ГПД (VFO) на новый смеситель взял с генератора сигналов, а старый ГПД приёмника прямого преобразования был настроен на частоту 6144 кГц что примерно соответствует верхней боковой полосе фильтра ПЧ. В этом случае он становится генератором биений.

Заработало сразу, но чувствительность заметно упала, что не удивительно т.к. три новых элемента в тракте вносят потери:

• ДПФ примерно 2,3 дБ
• Смеситель на ADE-1 примерно 6,3 дБ
• Кварцевый фильтр примерно 1,5 дБ

В сумме это больше 10 дБ потерь. Чтобы компенсировать затухание собрал дополнительный усилитель высокой частоты, который будет стоять между ДПФ и первым смесителем. Схему УВЧ на одном транзисторе позаимствовал из трансивера HBR/MK2. Позже нашёл статью высокочастотные усилители с обратной связью в которой подробно описан этот вид усилителей, там же есть и ссылки на первоисточники.

Диапазонный полосовой фильтр на 20 метров

Продолжаю переделывать приёмник прямого преобразования в супергетеродинный приёмник. Ранее был изготовлен кварцевый фильтр, а сейчас заменю фильтр нижних частот (который был взят из проекта апконвертера) на полосовой фильтр для диапазона 20 метров (14 МГц - 14,350 МГц). Такие фильтры сокращённо называют ДПФ или диапазонный полосовой фильтр.

Изучил несколько вариантов полосовых фильтров, сделал симуляции в Qucs-S и в итоге остановился на варианте double-tuned circuit, который подсмотрел у R2AUK в его трансивере HBR/MK2.

Конденсаторы C2 и C4 подстроечные, изменяя их ёмкость можно сдвигать полосу фильтра вверх или вниз по частоте. Конденсатор С3 влияет на потери и ширину полосы пропускания.

Кварцевый полосовой фильтр

Одним из ключевых элементов супергетеродинного приёмника является фильтр промежуточной частоты. Чтобы перейти от приёмника прямого преобразования к супергетеродинному мне не хватает этого фильтра. В продаже доступны готовые кварцевые фильтры на 455 кГц и 10,7 МГц, но они предназначены для АМ или ЧМ (FM) вещания и полоса пропускания шире чем требуется для голосовой связи (SSB) и тем более телеграфной (CW). Есть ещё классические электромеханические фильтры (ЭМФ), но они сейчас редкость и стоят недёшево.

Альтернативой будет самостоятельная постройка кварцевого фильтра. Для начала нужно определиться с промежуточной частотой будущего приёмника. Я отталкивался от стоимости кварцев и удаления искомой частоты от какого-либо из диапазонов. Была выбрана частота 6,144 МГц - одни из самых дешёвых кварцев, которые я нашёл в БелЧип'е и эта частота находится не слишком близко к 7 МГц (диапазон 40 метров).

Купил пакетик кварцев (52 штуки обошлись немногим более 9 рублей или около 3 USD) и пронумеровал каждый из них для измерения и последующей сортировки.

Измерение параметров кварцевого резонатора

Чтобы построить супергетеродинный приёмник мне нужен кварцевый фильтр. Можно купить готовый фильтр на 455 кГц или 10,7 МГц, но хочется попробовать собрать его самостоятельно. Для его постройки нужны кварцевые резонаторы с максимально близкой частотой (разброс не более 10% от полосы пропускания). Для голосовой связи нужен фильтр с полосой 2,4 - 3 кГц это не более 240 - 300 Гц разброса частоты кварцев, а для телеграфной связи нужен фильтр на 400 Гц что даёт всего 40 Гц разброса. У обычных кварцевых резонаторов точность частоты ±100 ppm что для резонатора на 8 МГц означает ±800 Гц, т.е. просто купить нужное количество резонаторов не получится. Но можно взять заведомо больше недорогих кварцев, измерить их параметры и выбрать нужное количество с близкими характеристиками.

Для подбора были куплены 52 кварца на частоту 6,144 МГц в корпусе HC-49U (маркированы как "MBС 6.144") - одни из самых дешёвых в БелЧипе и их частота лежит в диапазоне 6 - 12 МГц (не слишком близко к 7 МГц и на низкую частоту проще подобрать одинаковые кварцы). Для отбора кварцев нужно изменить их частоту последовательного резонанса F_S. Кварцевый резонатор можно изобразить в виде эквивалентной схемы.

C₀ - ёмкость образованная корпусом и выводами кварцевого резонатора. В англоязычной литературе её называют holder capacitance или ёмкость держателя - отсылка ко временам когда резонаторы делались вручную и зажимались в специальном держателе.

Приёмник прямого преобразования

В школе собирал детекторные приёмники на картонках, которые можно было слушать на высокоомные наушники ТОН-2. Добавив к такому приёмнику каскад усиления низкой частоты на одном или двух транзисторах получался приёмник прямого усиления. Дальше увлечение перешло на компьютеры и впоследствии стало профессией.

Спустя много лет вернулся к тематике радио и продолжил прогресс с "сохранённой позиции" - следующим после приёмника прямого усиления следует приёмник прямого преобразования.

У приёмника модульная конструкция, часть компонентов были взяты из проекта апконвертера, а остальные изготовил с нуля.

Активный ФНЧ на 3 кГц

Собрал активный фильтр нижних частот с частотой среза 3 кГц чтобы отсекать высокочастотный свист и улучшить избирательность приёмника прямого преобразования. Для расчёта номиналов использовал схему и калькулятор из статьи онлайн расчёт активных фильтров на ОУ и транзисторах.

Моделирование фильтра делал в Qucs-S и начал со схемы на операционном усилителе, но она не работала без двухполярного питания. Двухполярное питание можно получить с помощью таймера 555 или, если снизить напряжение питания аналоговой части до 10 В, микросхемой семейства 7660 (на "летающих конденсаторах"). Но оба варианта потребует делать фильтрацию импульсных помех, чего не хотелось бы из-за усложнения схемы.

Подготовка печатной платы для ЛУТ

Перешёл на Inkscape для подготовки нескольких копий изображения дорожек и шелкографии печатной платы на листе бумаги для ЛУТ. В примере использована печатная плата УНЧ на LM386.

Для начала нужно в Kicad распечатать изображение дорожек и шелкографии в отдельные PDF файлы. Плата УНЧ односторонняя, поэтому печатается изображение меди снизу платы (слой "B.Cu") и шелкографию сверху (слой "F.Silkscreen").

При печати верхнего слоя меди или шелкографии нужно не забыть включить зеркалирование изображения ("Print mirrored"). Во всех случаях нужно установить печать в масштабе 1:1. Для удобства центровки при сверлении я использую мелкие отметки ("Small mark" в Drill marks) вместо реального диаметра сверла.

Генератор плавного диапазона на MS5351

После сборки усилителя низкой частоты попробовал собрать приёмник прямого преобразования используя вместо генератора плавного диапазона (ГПД) генератор сигналов UTG932E. Проверив работоспособность приёмника решил собрать отдельный ГПД на базе модуля SI5351 чтобы попробовать приёмник на улице. В домашних условиях слишком много помех даже на магнитную рамочную антенну.

У меня в запасах должен был быть один модуль SI5351 из которого я когда-то хотел собрать ВЧ генератор, но был куплен NanoVNA который закрыл эту потребность. Перерыв все закрома я так и не смог его найти хотя уверен что нигде его не использовал.

В итоге в ближайшем магазине электроники были куплены микросхема MS5351M от Hangzhou Ruimeng Tech (аналог SI5351) и кварцевый резонатор на 25 МГц (NX3225GA-25MHZ-STD-CRG-2). Подозреваю что в большинстве китайских модулей маркированных как SI5351 на самом деле стоит именно MS5351 вместо оригинальной SI5351 от Silicon Labs т.к. она значительно дешевле.

Чтобы не возиться с разводкой печатной платы для корпуса MSOP-10 взял переходник SOP-10 на DIP-10 и припаял микросхему и кварц на переходник. На выходах 2, 3 (кварцевый резонатор) и 6, 9, 10 (выходы CLK0 - CLK2) нет пинов чтобы не добавлять лишнюю ёмкость от беспаечной макетной платы.

На выход CLK1 припаял разъём SMA т.к. этот вывод соседствует с GND и почти совпадает с размерами SMA разъёма, заодно в дело пошёл разъём SMA у которого был отломан один из земляных выводов.

Усилитель низкой частоты на LM386

Собрал несколько вариантов усилителя низкой частоты (УНЧ) на популярной микросхеме LM386. На макетной плате использована микросхема LM386N-1 в DIP корпусе от Texas Instruments. К выходу усилителя подключен динамик 6 Ом на 1,5 Вт. В тестах напряжение питания усилителя 8 В, а рекомендованный диапазон питающего напряжения от 4 В до 12 В.

Сначала собрал схему из документации с максимально возможным усилением в 200 раз, добавив электролитический конденсатор 220 мкФ по питанию.

Усилитель высокой частоты на BGA2869

Экспериментирую с приёмником прямого преобразования и в качестве усилителя высокой частоты поставил готовый модуль. На шелкографии печатной платы заявлены следующие характеристики:

• усиление 30 дБ
• частоты от 100 кГц до 2 ГГц
• питание от 9 В до 12 В

В описании товара не было информации о применяемой микросхеме, но на чипе видна маркировка "MDt" что соответствует BGA2869 от NXP произведённому в Малайзии.

На модуле указано питание от 9 В до 12 В, но в документации указано иное: от 4,5 В до 5,5 В при абсолютном максимуме 7 В. Ошибки нет, т.к. в цепи питания стоит гасящий резистор на 220 Ом на котором и падает "лишнее" напряжение. При питании от 11 В на микросхема потребляет ток около 26 мА и на неё приходит 5,2 В что вполне соответствует рекомендуемому диапазону питающего напряжения.

Сравнение смесителя ADE-1 с самодельным

Собрал кольцевой диодный смеситель на ADE-1 (от 0,5 до 500 МГц, +7 дБм LO) и сравнил его с самодельным в котором использованы ферритовые кольца М400НН 10х6х3 и диоды шоттки 1N5711.

В качестве источника полезного сигнала (RF) и гетеродина (LO) использовал генератор сигналов Uni-T UTG932E, который был доработан до 60 МГц.

Первый выход генератора выдаёт синусоидальный сигнал частотой 14 МГц и уровнем -73 дБм (-53 дБм установлено на генераторе и на его выход подключён внешний аттенюатор на 20 дБ), который подключается к порту RF смесителей.

Питание контроллера антенны через bias tee

Сделал питание для контроллера магнитной рамочной антенны через bias tee. До этого контроллер питался от литиевого аккумулятора и его заряда хватало часов на 40 работы, после чего требовалось около двух часов на зарядку.

Вид со стороны антенны

Если по какой-то причине питание через bias-tee не требуется, то разъём отключается и контроллер будет питаться от аккумулятора на антенне.

В апконвертере переделал питание гетеродина от bias tee чтобы не было лишних проводов на столе

Апконвертер с bias tee

Отличия ферритов НМ и НН

Решил сравнить имеющиеся в наличии ферритовые кольца разной проницаемости. Несколько ферритовых колец 16х8х6 марки М1000НМ осталось ещё с самой первой попытки сделать диодный кольцевой смеситель для апконвертера. Тогда первые же замеры показали плохой результат и следовательно необходимость заменить материал колец на НН с более низкой проницаемостью. В текущей версии смесителя использованы кольца 10х6х3 М400НН, но с промежуточных попыток ещё есть кольца 10х6х3 М600НН, которые я покупал пока ждал доставку колец М400НН. Ещё один кандидат в сравнение - кольцо 32х16х8 М2000НМ, которое я брал для балуна, но пока оно ждёт своего часа.

Вид колец с нумерацией слева направо:

1. 10х6х3 М400НН
2. 10х6х3 М600НН
3. 16х8х6 М1000НМ
4. 32х16х8 М2000НМ

Сперва проверил электрическую проводимость самих колец - кольца из материалов НН (NiZn) показывают бесконечность на самом высоком пределе измерения мультиметра Uni-T UT61E+ (впрочем любой другой мой мультиметр показывает аналогично), а кольцо из материала НМ (MnZn) имеет сопротивление в десятки кОм.

Проверка частотомера с помощью U-blox NEO M8N

Попробовал навигационный модуль u-blox neo m8n в качестве эталона частоты для проверки частотомеров осциллографа Rigol DS1054z и генератора сигналов Uni-T UTG932e.

Я приобрёл модуль у которого есть SMA и IPEX разъёмы для антенны и отдельный выход PPS для импульсов. На плате нет USB-UART преобразователя, поэтому для подключения его к компьютеру потребуется внешний.

С подключённой активной антенной модуль потребляет около 50 мА при питании от 3,3 В (на антенном разъёме есть питание для активной антенны).

По-умолчанию модуль выдаёт импульсы с частотой 1 Гц, но частоту импульсов можно изменять в довольно широких пределах от 0,25 Гц до 10 МГц. Опорный генератор модуля имеет частоту 48 МГц и если нужна высокая точность, то стоит выбирать частоты которые можно получить делением опорной частоты нацело. Например для импульсов частотой 10 МГц требует делитель 4,8 и сигнал будет иметь заметную погрешность, а частота 8 МГц требует делитель 6 и ошибка будет минимальной.

Защита аккумулятора от глубокого разряда

Пока контроллер магнитной рамочной антенны питается от литиевого аккумулятора 4S2P, который установлен на самой антенне. Это старый аккумулятор от пылесоса, который собран из ячеек Samsung ICR18650-22F на 2200 мАч каждая. В силу своего возраста они потеряли часть ёмкости и уже не могут работать по прямому назначению, но для питания самоделок вполне подходят. Заменил родной разъём аккумулятора на XT60 и сделал ответную часть с выходом на приборные разъёмы для заряда.

По документации производителя эти ячейки считаются "пустыми" при напряжении 3 В на ячейку, а при 2,75 В нужно прекращать разряд во избежании необратимых изменений. К сожалению плата защиты аккумулятора не отключает выход при достижении 11 В и даёт разряжать его дальше. Чтобы не мучить батарею добавил в код контроллера функцию отслеживания напряжения питания и отключения контроллера, если напряжение питания станет ниже 12 В.

Управление антенной из SDR приложения

 Продолжение проекта магнитной рамочной антенны. В прошлый раз был добавлен актуатор для КПЕ в виде шагового мотора и сделана прошивка для микроконтроллера. В этот раз я полностью собрал антенну и сделал автоматическое управление из SDR приложения.

Для автоматического управления антенной взял Raspberry PI 3 Model B у которого на борту есть WiFi и Ethernet. Поскольку антенна будет стоять на балконе (на котором не предусмотрена розетка Ethernet), то пока единственным вариантом соединения с raspberry будет WiFi.