Показалось было, что эта статья своё отработала. Но нет, пишут что ещё делают кварцевые фильтры своими руками. А написана была эта статья на волне фильтростроительного энтузиазма, вызванного статьей Владаса Жалнераускаса "Кварцевые фильтры на одинаковых резонаторах" , нижеприведенное название отчасти содрано с неё.

Лестничные фильтры на неодинаковых резонаторах

Лестничные фильтры на одинаковых резонаторах получили широкое распространение. Однако для их реализации требуется большое число резонаторов с одинаковой частотой последовательного резонанса fo. Причем, для возможности реализации фильтра разброс fo у резонаторов не должен превышать 10% от требуемой полосы пропускания фильтра Df. То есть не более 240... 300 Hz для телефонного SSB фильтра и 80... 100 Hz — для телеграфного. Обеспечить такие жесткие требования по идентичности частот весьма сложно т.к. для большинства современных резонаторов по техническим условиям точность настройки на заданную частоту составляет ±100х10-6,что, например, на частоте 9 MHz составляет ±900 Hz, т.е. больше допустимого.

Поэтому возникает необходимость либо отбирать кварцы из намного большего, чем требуется, количества, либо механически подгонять частоту резонаторов.

Первый путь весьма невыгоден экономически - отбракованные кварцы из-за большого разброса практически не используются - ну пару еще есть куда - в опорные генераторы приёмника и передатчика, а остальные куда девать? Фильтр из них не построишь...

Второй путь в ряде случаев (вакуумные резонаторы) вообще невозможен, а когда до кристалла все же можно добраться при отсутствии достаточного навыка чреват необратимым ухудшением характеристик кварца. И даже при удачном "перепиливании" частоты все равно остаются подводные камни - частота механически перестроенного резонатора нестабильна во времени и через несколько месяцев может "уплыть".

Ниже приводится методика расчета лестничных фильтров на резонаторах, имеющих разброс fo ±3... 5 kHz, что позволяет использовать всё имеющиеся кварцы без предварительного отбора и подгонки. Но бесплатных пряников, конечно не бывает, вам придется дополнительно потрудиться в измерениях параметров кристаллов и расчёте фильтра.

Принцип выполнения фильтра на неодинаковых резонаторах состоит в том, что из имеющихся выбирается самый высокочастотный кварц, а все остальные (более низкочастотные) резонаторы дополнительными последовательными конденсаторами подстраиваются вверх на частоту самого высокочастотного кварца. такой подстроенный резонатор с последовательным конденсатором будем называть "эквивалентным" резонатором. Очевидно, что получившиеся таким образом "эквивалентные" резонаторы имеют одинаковую частоту последовательного резонанса (для того мы их и подстраивали), и из них по обычной методике можно рассчитать лестничный фильтр.

Порядок расчёта

1. У каждого из имеющихся N резонаторов измеряют:

Индекс i у каждой из величин, означает, что измерить все эти значения надо для всех резонаторов отдельно, то есть i=1...N. Работа кропотливая, но необходимая. Lкв должна иметь разброс не более ±20%, что, как правило, выполняется у резонаторов одного типа. Если разброс Lкв окажется больше (это, впрочем маловероятно, величина Lкв довольно стабильна), то надо выбраковать резонаторы, портящие картину, так, чтобы у оставшихся приведенное условие выполнялось бы.

2. Из измеренных резонаторов выбирают наиболее высокочастотный, его частота последовательного резонанса (обозначим ее fa) и будет частотой настройки (точнее, частотой нижнего ската АЧХ) фильтра. Затем, выбирают самый низкочастотный, допустим j-й резонатор, с параметрами fpj, (fpj — foj). Если выполняется условие:

fpj-fa>2D (1),

где Df — необходимая полоса пропускания,

то фильтр реализуем, а если нет, то необходимо расширять резонансный промежуток, подключая параллельно резонатору катушку индуктивности. Если резонансные промежутки резонаторов, измеренные в пункте 1, существенно отличаются друг от друга, полезно проверить выполнение условия (1) не только для наиболее низкочастотного, но и для всех остальных резонаторов тоже.

3. Для каждого (кроме отобранного в пункте 2 самого высокочастотного) резонатора определяют величину емкости C1, подстраивающей i-й (текущий, данный) кварц на частоту фильтра fa.

Ci=1/(4pLквi(fa·fa-foi·foi)) (2),

где: Lквi — индуктивность i-ro резонатора, foi — частота его по последовательного резонанса.

Таким образом, двухполюсник (рисунок 1а) из i-ro кварца и последовательной емкости Ci соответствует "эквивалентному" резонатору с параметрами fa, (fpi-fa),который на рис.1б изображен утолщенными линиями.

схема измерения (1805 bytes)

4. По обычной методике проводится расчет фильтра из "эквивалентных" резонаторов. Исходными данными для расчета служат Lкв (среднее значение), fa, и Df.

5. Составляется полная принципиальная схема фильтра, с заменой "эквивалентных" резонаторов реальными двухполюсниками из пункта 3. На рисунке 2а в качестве примера показана рассчитанная в схема четырёх кристального фильтра из "эквивалентных" резонаторов и ее преобразование в полную принципиальную схему - рисунок 2б.

2-4-2.gif (4728 bytes)

На рисунке 2б С1, С2, С4 — последовательные конденсаторы, определенные по формуле (2) в пункте 3, а C1,2, С1,3 и С2,3,определенные в ходе стандартного расчёта, в пункте 4.

Резонатор B3 в данном примере принят наиболее высокочастотным, поэтому он не имеет последовательного конденсатора. Емкости, включенные последовательно (С1 и С2,3, а также С4 и С2,3) целесообразно по школьной формуле последовательно включенных конденсаторов пересчитать в одну.
При необходимости сужения полосы фильтра, конденсаторы, сужающие резонансный промежуток, следует включать параллельно "эквивалентным" резонаторам, то есть вместе с дополнительным конденсатором. В этом случае не следует пересчитывать в один последовательно включенные конденсаторы.
Данный метод удобно применять и в том случае, когда используются совершенно одинаковые резонаторы, но надо сдвинуть вверх полосу пропускания, как например при использовании двух фильтров CW и SSB, или одного SSB, но сужение полосы в CW производится дополнительными параллельными конденсаторами. Если не сдвинуть центральную частоту CW фильтра вверх примерно но 500 Hz, то придется принимать CW c тоном 400...600 Hz, что довольно неудобно.
Для получения такого сдвига достаточно последовательно с каждым из резонаторов фильтра включить конденсатор, величина которого определяется по формуле (2), подставив в нее вместо foi имеющуюся частоту настройки фильтра, а вместо fa — новую необходимую частоту.
Вариант схемы показан на рисунке 3

схема (1481 bytes)

Контакты реле (на схеме не показано) переключают полосу SSB/CW. В показанном на схеме положении K1 (режим SSB), C1 и C2 оба отключены и не влияют на резонатор. При переключении в режим CW C2 включается последовательно с ZQ и сдвигает вверх на 400 — 700 Hz частоту его последовательного резонанса. C1 при этом подключается параллельно образовавшемуся "эквивалентному" резонатору со сдвинутой вверх частотой и сужает его резонансный промежуток для CW.

Для большинства современных кварцев величина C2 лежит в пределах 50 - 200 pF и может быть подобрана экспериментально. Величина С1 обычно составляет 20 — 50 pF.

По изложенной методике изготовлено несколько фильтров из кварцев с разбросом частоты 2...5 kHz. При скрупулезном измерении параметров резонаторов и использовании конденсаторов, отличающихся от расчетных значений, не более чем на 5% (подбирались на измерителе ёмкости) характеристики фильтров совпадали с расчетными, коэффициент прямоугольности и крутизна скатов АЧХ такие же, как и у фильтров на одинаковых резонаторах при несколько большей неравномерности (3... 4 dB) в полосе пропускания.

Bonn, 24.02.2002

На главную - Main page