Рис.1 Кварцевые фильтры с "параллельными" емкостями

Стрелками ААи ББ показан второй вариант включения КПЕ. Резисторы R1, R4 (0 ... 300 Ом) устанавливаются при наличии больших выбросов на АЧХ. Конденсатор С4* подбирается в пределах от 0 до 30 пФ.

С целью минимизации числа конденсаторов, были выбраны схемы фильтров, содержащие только параллельные емкости, рис.1. Поскольку фильтры симметричны (относительно их входа-выхода), оказалось возможным использовать сдвоенные КПЕ от радиовещательных приемников емкостью 12 - 495 пФ. Кроме этого, понадобится еще один, заранее проградуированный в пФ, односекционный переменный конденсатор.

Настройка фильтра сводится к следующему.

Для настройки может понадобиться прибор для измерения амплитудно-частотных харакеристик Х1-38 или ему подобный. Я же использую осциллограф и самодельную приставку (см. ниже).

Первоначально все конденсаторы устанавливаются в положение, соответствующее емкости 30 ... 50 пФ. Контролируя АЧХ фильтра на экране прибора, вращением конденсаторов в небольших пределах, добиваемся требуемой полосы пропускания. Затем, подстройкой переменных резисторов (использовать только безиндукционные, например, СП4-1) на входе и выходе фильтра, стараемся выровнять вершину АЧХ. Приведенные выше операции, повторяются несколько раз до получения желаемой АЧХ.

Далее, вместо каждой отдельной секции КПЕ, припаиваем заранее проградуированный конденсатор, с помощью которого стараемся оптимизировать АЧХ фильтра. По его шкале определяем емкость постоянного конденсатора и производим замену. Таким образом, все секции КПЕ, поочередно, заменяются конденсаторами постоянной емкости. Точно также поступаем с переменными резисторами, которые впоследствии заменим на постоянные.

Окончательная "доводка" фильтра производится непосредственно по месту, например, в трансивере. После установки фильтра в трансивер возможно потребуется коррекция номиналов этих резисторов, при этом, для оптимального согласования фильтра с выходом смесителя и входом УПЧ, ГКЧ и осциллограф необходимо подключать согласно схемы, приведенной на рис.2.

Рис.2 Подключение кварцевого фильтра для окончательной настройки

По описанной методике было изготовлено несколько фильтров. Хочется отметить следующее. Настройка трех или четырех кристальных фильтров при некотором навыке занимает не более часа, однако с 8-ми кристальными фильтрами затраты времени гораздо выше. При этом, попытки предварительной настройки сначала двух отдельных 4-х кристальных фильтров, а затем их состыковка - оказались бесплодны. Малейший разброс их параметров (а это всегда имеет место) приводит к искажению результирующей АЧХ. Интересно также отметить, что теоретически равные емкости (например, С1=СЗ, на рис. 1а; С1=С7; СЗ=С5, на рис.1б) после настройки градуированным КПЕ по оптимальной АЧХ имели заметный разброс.

На мой взгляд, достоинством этой методики, является ее наглядность. На экране прибора хорошо видно каким образом меняется АЧХ фильтра в зависимости от изменения емкости каждого конденсатора. Например, выяснилось, что в отдельных случаях вполне достаточно поменять емкость одного конденсатора (с помощью реле) с тем, чтобы изменить полосу пропускания фильтра без особого ухудшения ее прямоугольности.

Как уже отмечалось выше, для настройки фильтра используется осциллограф С1-77 и переделанная приставка для измерения АЧХ .

Почему именно С1-77? Дело в том, что на его боковой стенке имеется разъем, на котором присутствует пилообразное напряжение генератора развертки. Это позволяет упростить саму приставку и исключить из ее схемы генератор пилообразного напряжения (ГПН). Поэтому, отпадает необходимость в дополнительной синхронизации и становится возможным наблюдение стабильной АЧХ при различных длительностях развертки. Очевидно, что можно приспособить и осциллографы других типов, может быть после небольшой доработки.

Поскольку, упрощенная приставка используется только при работе с кварцевыми фильтрами вблизи частоты 8 МГц, то все остальные поддиапазоны из нее были исключены.

Также, в используемой приставке, потребуется немного увеличить выходное напряжение. Для этого достаточно переделать выходной каскад в резонансный. Он должен настраиваться в резонанс каждый раз после того, как к его выходу будет подключаться новый фильтр.

Рис.3 Приставка к осциллографу для настройки кварцевых фильтров

Литература.

1. В.Жалнераускас. Серия статей «Кварцевые фильтры» Журнал «Радио» № 1, 2, 6 1982 г., № 5, 7 1983 г.
2. С.Бунин, Л.Яйленко «Справочник коротковолновика» изд. «Техника» 1984 г.
3. В.Дроздов «Коротковолновые трансиверы» изд. «Радио и связь» 1988 г.
4. Журнал «Радио» №5 1993 г. «Генератор качающейся частоты»

Во время постройки приемника для любительской связи с двойным преобразованием потребовалось подобрать и посмотреть реальную АЧХ фильтра ПЧ, убедиться, что она в пределах 2.5-2.8кГц, необходимых для комфортного приема SSB станций. Поскольку у меня нет практически никакого измерительного оборудования, пришлось использовать старого друга , сделанного на основе RTL SDR.

В общем, это оказалось делом двух минут. SDR приемник выполняет роль анализатора спектра. По-хорошему надо было собрать генератор шума, но в промзоне нет лучшего генератора шума, чем сам эфир. Так и сделал, на вход фильтра подключил антенну (активная полноразмерная рамка 40 метрового диапазона), выход подключил к конвертеру. Из-за достаточно высокого КУ антенного усилителя эфир выполнил роль источника шума, и SDR приемник показал реальную АЧХ фильтра. не смотря на то, что по картинке подавление за полосой пропускания всего 40db, реальное подавление значительно выше из-за того, что уровня шума эфира все же недостаточно для оценки динамических характеристик, но форму и ширину АЧХ оценить вполне можно.

К слову, о фильтре...

Простой кварцевый фильтр промежуточной частоты

Это т.н. лестничный фильтр, в котором использованы ширпотребовские кварцевые резонаторы. В моем случае это резонаторы на 10МГц. Из-за низкой цены наших магазинах их продают по 5 штук, этого комплекта как раз хватит на приемник: 4 штуки пойдут на фильтр ПЧ, и еще один будет использован во втором гетеродине.

В моем случае CS1 = 33пф, Cp1,Cp2 = 62пф. Все кварцы — 10МГц. Итоговая полоса — 2.5-2.8кГц в зависимости от того, по какому уровню оценивать.

Подбор емкостей был выполнен при подключенном трехсекционном конденсаторе, 3х12-495пФ. Вращением добиваемся необходимой ширины АЧХ, при этом изменение полосы в реальном времени видно на экране компьютера, у меня она менялась от 5-6кГц до 200Гц, при этом более или менее ровная АЧХ была в пределах 1-3кГц, можно было выбрать любую полосу. Также можно легко реализовать переключение полосы, например, 1.8, 2.5, 3.3кГц. Кварцы можно использовать практически любые, исходя из необходимой величины ПЧ, которая может зависеть от возможностей гетеродина, емкости при этом придется подбирать экспериментальным путем.

Кварцевые фильтры «Десна»

Восьмикристальный кварцевый фильтр «Десна». Собран, настроен, без корпуса (экранированной коробки). Кварцевый фильтр на частоту 8,865 МГц. Фильтр собран на печатной плате 75х19 мм. В комплект входят 2 опорных кварца (SSB,CW). Коэффициент прямоугольности по уровням 6 и 60 дБ – 1.5; затухание за полосой пропускания более 80 дБ; неравномерность в полосе пропускания не более 3 дБ; полоса пропускания по уровню 6 дБ – 2,4 кГц; Rвх и Rвых. от 200 до 280 Ом (указано в паспорте). Возможно изготовление нескольких КФ на одну частоту с разбросом не более 20 Гц.

Четырехкристальный кварцевый фильтр «Десна». Собран, настроен, без корпуса (экранированной коробки). Кварцевый фильтр на частоту 8,865 МГц, К.п. 2,1; полоса пропускания 2,4 КГц. В комплект входят 2 опорных кварца (SSB,CW). Фильтр собран на печатной плате 35х19 мм. Возможно изготовление нескольких КФ на одну частоту с разбросом не более 20 Гц.

Четырехкристальный (подчисточный) кварцевый фильтр «Десна». Собран, настроен, без корпуса (экранированной коробки). Изготавливается на частоту основного КФ. Возможность изменения полосы от 2,7 до 0,7 кГц. Фильтр выполняется на печатной плате 30х15 мм. В комплект входят 3 варикапа КВ-127.

Набор радиолюбителя «Десна»

Набор «Десна» предназначен для изготовления кварцевых фильтров: восьмикристального основной селекции и четырехкристального подчисточного с изменяемой полосой пропускания (0,7 – 2,7кГц) для устройств с одним преобразованием частоты, используемых в любительской радиосвязи.

Для изготовления лестничных кварцевых фильтров используются одинаковые кварцевые резонаторы от телевизионных PAL/SECAM приставок. Как показали измерения, указанные кварцы имеют высокую добротность, резонансный промежуток составляет около 12 - 15 кГц. Изготовленный восьмикристальный кварцевый фильтр из таких резонаторов имеет следующие параметры:

коэффициент прямоугольности по уровням 6 и 60 дБ ~ 1.6;

затухание за полосой пропускания более 80 дБ;

неравномерность в полосе пропускания – 1.5 - 2 дБ;

полоса пропускания по уровню 6 дБ – 2.4  0,15 КГц;

входное и выходное сопротивление - 20210 Ом.

В состав набора входит:

подобранных кварцевых резонаторов « NEW » (С = 5 Пф) – 12 шт.;

кварцевые резонаторы опорных генераторов (обозначены – Г) – 2 шт.

Конденсатор КМ-12-15пФ – 2 шт. Конденсатор КМ-91пФ – 2 шт.

Конденсатор КМ-39пФ – 2 шт. Конденсатор КМ-110пФ – 2 шт.

Конденсатор КМ-47пФ – 2 шт. Конденсатор КМ-120пФ – 2 шт.

Конденсатор КМ-56пФ – 2 шт. Печатная плата – 2 шт.

Варикап КВ-127А (Б) – 3 шт.

* Номиналы конденсаторов даны для кварцевых резонаторов только данного типа «NEW».

П
ринципиальные схемы КФ и ПКФ:

С1,С7-39пФ, С2,С6-12-15пФ, С3,С5-47пФ, С4-91пФ, С8,С11-120пФ, С9,С10-110пФ. С1,С3-56пФ, С2-91пФ.

Фильтры выполняются на печатных платах. По одному из выводов (обозначенных *) крайних резонаторов, а в ПКФ и всех четырех, на платах не обрезать, они будут - вход / выход КФ и ПКФ, а так же для подключения дополнительных конденсаторов в ПКФ.

Схема включения четырехкристального подчисточного фильтра

Простой и дешевый фильтр для SSB

Воронцов А. RW6HRM предлагает в качестве альтернативы ЭМФ-ам применять простую и главное-дешевую схему кварцевого фильтра. Статья актуальна ввиду дифицита и дороговизны данных элементов.

В последнее время очень часто в Интернет-публикациях встречаются «слезы» начинающих радиолюбителей, мол, трудно достать ЭМФ, это дорого, кварцевый фильтр сделать сложно, необходимы приборы и т.п. Действительно, достать сейчас хороший новый ЭМФ достаточно проблематично, что предлагается на рынке – это глубокое б/у без гарантии нормальной работы, а сваять кварцевый фильтр даже на имеющихся в продаже кварцах на 8,86 МГц не обладая соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой, «на глазок», невозможно. На первый взгляд ситуация не ахти…

Однако есть вариант сделать простой кварцевый фильтр для низкочастотного SSB-передатчика или трансивера достаточно простым и самое главное – недорогим. Достаточно пройтись по радиомагазинам и узреть в продаже «двухножковые» кварцы для пультов ДУ на частоты от 450 до 960 кГц. Данные детали делают с достаточно большими допусками на генерируемые частоты, что дает нам право выбора как используемой промежуточной частоты, так и полосы пропускания делаемого фильтра. Сразу оговорюсь: идея не моя, ранее её апробировал шведский радиолюбитель HARRY LYTHALL, SM0VPO, а я просто сообщаю об этом Вам (предварительно сделав несколько фильтров для себя).

Итак, что нам требуется для подбора кварцев – простой генератор типа «трехточка» и частотомер или радиоприемник с частотомером, перекрывающий любительский диапазон 160 метров. Из кучи кварцев нам требуется выбрать два с разносом генерируемых частот в 1 – 1,5 кГц. Если мы используем кварцы на частоту 455 кГц, то удобнее всего настраиваться на их четвертую гармонику (около 1820 кГц, добиваясь разноса в 4 – 4,5 кГц), а если 960 кГц, то на вторую (1920 кГц, разнос 2 – 2,5 кГц).

Контур CL1 в данном примере является нагрузкой предыдущего каскада УПЧ, это стандартный контур на 455 кГц из любого зарубежного раскуроченного АМ-приемника. Можно также использовать данные из радиолюбительской литературы для самодельных контуров на частоту 465 кГц, уменьшив количество витков на 5%. Точками обозначено начало катушек связи L2 и L3, им достаточно по 10 – 20 витков. Вполне возможно поставить фильтр сразу после смесителя, к примеру, кольцевого на четырех диодах. В этом случае уже получится трансформатор 1:1:1, который можно выполнить на кольце Ф600 с внешним диаметром 10 – 12 мм, количество витков скрученного тройного провода ПЭЛ-0,1 – 10 – 30. Конденсатор С в случае трансформатора, естественно, не нужен. Если второй каскад УПЧ выполнен на транзисторе, то резистор 10 кОм возможно использовать в токозадающей базовой цепи, тогда разделительный конденсатор 0,1 мкФ не нужен. А если этот фильтр использовать в схеме простого радиотракта , то и резистор можно исключить.

Теперь из оставшейся кучи кварцев нам надо подобрать подходящий для опорного генератора. Если к указанным на схеме номиналам мы подберем кварц на 455 кГц, то на выходе фильтра получим нижнюю боковую полосу, если на 454 кГц – верхнюю. Если кварцев больше не осталось, то вполне возможно собрать опорный генератор по схеме емкостной трехточки и, подбирая его частоту, настроить получившийся фильтр. При этом генератор должен быть выполнен с повышенными мерами в части его термостабильности.

Настройку можно производить даже на слух, по несущим радиостанций, но это удовольствие оставим для более-менее опытных «музыкантов». Для настройки хорошо бы иметь звуковой генератор и осциллограф. Подаем сигнал со звукового генератора частотой 3 – 3,3 кГц на микрофонный усилитель (предположим, что фильтр уже стоит в схеме передатчика), подключаем осциллограф на выход фильтра и сдвигаем частоту опорного генератора до тех пор, пока выходной уровень сигнала после фильтра не уменьшится минимально. Далее проверяем нижнюю границу пропускания фильтра, подавая на микрофонный вход частоту 300 Гц со звукового генератора. Кстати, для повышения нижней границы пропускаемой полосы микрофонного усилителя по звуковым частотам, достаточно установить переходные конденсаторы емкостью около 6800 пФ и менее, а для верхней границы в любом случае хорошо бы установить хотя бы однозвенный ФНЧ.

Вот и все. Как видите, вы не понесете больших затрат при изготовлении данного фильтра, а сигнал получится достаточно презентабельный. Конечно, из-за простоты применить его в передатчиках второй категории уже нежелательно, но для 1,8 – 7 МГц его будет более чем достаточно. По результатам измерений эта классическая конструкция полностью совпадает с описанным в справочниках (к примеру, Справочник коротковолновика Бунина и Яйленко) - нижняя часть характеристики несколько затянута. Затухание в полосе пропускания - около 1 - 2 дБ, оно зависит от качества примененных резонаторов. Но если вы найдете еще более дешевый способ выйти в эфир с SSB (кроме фазового) - сообщите

Улучшение АЧХ "Ленинградского" кварцевого фильтра

С. Попов RA6CS

При реализации частотных фильтров необходимо учитывать особенности их применения. Ранее мы уже рассмотрели, что активные фильтры (чаще всего ) удобно применять для реализации относительно низкочастотных фильтров. удобно применять в диапазоне частот от сотен килогерц до сотен мегагерц. Эти реализации фильтров достаточно удобны при изготовлении и в ряде случаев могут перестраиваться по частоте. Однако они обладают малой стабильностью параметров.

Значение сопротивления резисторов в фильтре не является постоянным. Оно меняется в зависимости от температуры, влажности или при старении элементов. То же самое можно сказать и про значение емкости конденсатора. В результате меняются частоты настройки полюсов фильтра и их добротности. Если есть нули коэффициента передачи фильтра, то их частоты настройки тоже меняются. В результате этих изменений фильтр меняет свою . Про такой фильтр говорят, что он "разваливается"

Подобная ситуация происходит и с пассивными LC фильтрами. Правда в LC фильтрах зависимость частоты полюса или нуля меньше зависит от значения индуктивности и емкости. Эта зависимость пропорциональна корню квадратному в отличие от линейной зависимости в RC схемах. Поэтому LC схемы обладают большей стабильностью параметров (приблизительно 10 −3).

При применении некоторых мер (таких как применение конденсаторов с положительным и отрицательным ТКЕ, термостабилизация) стабильность параметров описанных фильтров можно улучшить на порядок. Тем не менее при создании современно аппаратуры этого недостаточно. Поэтому, начиная с 40-х годов XX века велись поиски более стабильных решений.

В процессе исследований выяснили, что механические колебания, особенно в вакууме обладают меньшими потерями. Были разработаны фильтры на музыкальных камертонах, струнах. Механические колебания возбуждались, а затем снимались катушками индуктивности при помощи магнитного поля. Однако данные конструкции оказались дорогими и громоздкими.

Затем преобразование электрической энергии в механические колебания стали делать при помощи магнитострикционного и пьезо эффектов. Это позволило снизить габариты и стоимость фильтров. В результате исследований выяснили, что наибольшей стабильностью частоты колебаний обладают пластинки кварцевых кристаллов. Кроме того, они обладают пьезоэффектом. В результате к настоящему времени кварцевые фильтры являются самым распространенным видом высококачественных фильтров. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора

Одиночные кварцевые резонаторы редко используются в кварцевых фильтрах. Такое решение используется обычно радиолюбителями. В настоящее время намного выгодней купить готовый кварцевый фильтр. Тем более, что на рынке обычно предлагаются фильтры на наиболее распространенные промежуточные частоты. Фирмы-производители кварцевых фильтров для сокращения габаритов используют другое решение. На одной кварцевой пластине напыляется две пары электродов, которые образуют два резонатора, связанные между собой акустически. Внешний вид кварцевой пластинки с подобной конструкцией и чертеж корпуса, куда она размещается приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид кварцевой пластинки с двумя резонаторами, чертеж корпуса и внешний вид кварцевого фильтра

Подобное решение получило название кварцевой двойки. Простейший кварцевый фильтр состоит из одной двойки. Её условно-графическое обозначение приведено на рисунке 3.

Рисунок 3. Условно-графическое обозначение кварцевой двойки

Кварцевая двойка по электрическим параметрам эквивалентна схеме полосового фильтра с двумя связанными контурами, приведенной на рисунке 4.

Рисунок 4. Двухконтурная схема фильтра, эквивалентная кварцевой двойке

Отличие заключается в достижимой добротности контуров, и, следовательно, полосе пропускания фильтра. Выигрыш особенно заметен на высоких частотах (десятки мегагерц). Кварцевые фильтры четвертого порядка выполняются на двух двойках, связанных между собой при помощи конденсатора. Вход и выход этих двоек уже не эквивалентен, поэтому обозначается точкой. Схема данного фильтра приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема кварцевого фильтра четвертого порядка

Фильтры L1C1 и L2C3 как обычно предназначены для трансформации входного и выходного сопротивления и приведения их к стандартному значению. Подобным же образом строятся кварцевые фильтры восьмого порядка. Для их реализации используют четыре кварцевых двойки, но в отличие от предыдущего варианта фильтр выполняется в одном корпусе. Принципиальная схема подобного фильтра приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Принципиальная схема кварцевого фильтра восьмого порядка

Внутреннюю конструкцию кварцевого фильтра восьмого порядка можно изучить по фотографии фильтра со снятой крышкой, которая приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Внутренняя конструкция кварцевого фильтра восьмого порядка

На фотографии четко просматриваются четыре кварцевых двойки и три конденсатора поверхностного монтажа (SMD). Подобная конструкция используется во всех современных фильтрах, как проникающего, так и поверхностного монтажа. Ее применяют как отечественные, так и зарубежные производители кварцевых фильтров. Из отечественных производителей можно назвать ОАО "Морион", ООО НПП "Метеор-Курс" или группу предприятий Пьезо. В списке литературы приведены некоторые из зарубежных производителей кварцевых фильтров. Следует заметить, что приведенная на рисунке 7 конструкция легко реализуется и в корпусах поверхностного монтажа (SMD).

Как мы видим, сейчас нет проблем купить готовый кварцевый фильтр с минимальными размерами и по приемлемой цене. Их можно использовать для проектирования высококачественных приемников, передатчиков трансиверов или других видов радиооборудования. Для того, чтобы легче ориентироваться в типах предлагаемых на рынке кварцевых фильтров, приведем график типовых зависимостей амплитудно-частотной характеристики от числа резонаторов (полюсов), приведенную фирмой SHENZHEN CRYSTAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL

Рисунок 8. Типовая форма АЧХ кварцевого фильтра в зависимости от числа полюсов

Литература:

Вместе со статьёй "Кварцевые фильтры" читают:

http://сайт/Sxemoteh/filtr/SAW/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/piezo/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/Ceramic/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/Prototip/