LOGO

航空通訊頻譜監視系統 (四)
自製航空通訊頻譜接收機

No.26   1995 Mar.   p106~111,   by 林茂榮 / BV5OC



如果你想擁有一部頻譜分析儀,卻偏偏苦於荷包不夠寬裕,這裡提供你實現夢想的機會。看看像是高頻收發機 IC-781 等顯示幕上的頻道,真是羨煞人。想擁有一部高頻頻譜分析儀的夢想,真的有那麼難嗎?別讓『頻譜分析儀』嚇壞了,這個克難式的頻譜分析儀,簡單得叫你吃驚!


    假設你有一部可以掃描頻率的短波接收機,而它的中頻輸出被檢波,可以提供直流訊號,而這訊號就接到示波器的垂直輸入端,也就是示波器的 Y 軸。而示波器的水平掃描,也就是 X 軸,與接收機的掃描同步。當接收機掃描到了一個訊號時,檢波後與訊號強度成正比的直流電壓,可以在示波器上顯現出來。如果掃描速度夠快,我們便可以讓示波器上,出現與各電台訊號強度成正比的尖銳垂直波,這不就是頻譜分析儀嗎!

    若在接收機與示波器之間加裝介面來完成上述的工作。也就是把接收機改造成可以在感興趣的頻率內掃描,並且提供水平掃描同步訊號給示波器,再把接收機掃到的電台訊號檢波,送給示波器的垂直輸入端,便能夠在示波器上看到頻譜。


要有怎麼樣的示波器?

    首先得有一部示波器,怎麼樣的示波器呢?幾乎沒有任何限制,只要不是古董級的都適用。我試過三部不同的示波器,其中一部是我常擺在實驗桌上的,當然不會有問題;另外兩部都是二手貨,一為 10MHz 的迷你型雙軌跡示波器,另一部是 3MHz 的小型示波器,試用之後都很合適。


要有怎麼樣的接收機?

Fig 02
圖 2:極高頻飛航通訊頻譜接收機選台電壓與接收頻率的關係曲線

    按著要找來一部電子調諧台的接收機,前面介紹的「飛航通訓接收機」就很合適。

    參見右圖 1,基本上它與本文第一回「飛航通訊接收機」的圖 1 相類似,只是去掉聲頻放大線路及靜音線路,並且把調台的分壓電阻 R1 除去,改從此處輸入控制掃描的鋸齒波。我使用本文第二回圖 2E 的供電方式,穩壓 IC 使用 78L08。

    圖 2 則是圖 1 線路選台電壓與接收頻率的關係曲線。圖 3 是完成的飛航通訊頻譜接收機。

圖 1:極高頻飛航通訊頻譜接收機詳細線路 (自行以300 dpi 列印)
圖 3:完成的極高頻飛航通訊頻譜接收機 (原雜誌上的圖只是一個機殼的前面板,因此略去不登)


一石二鳥之計

    參看圖 4,是一簡潔的鋸齒波產生線路,經此訊號去控制選台,接收機便可提供表示電台訊號強度的直流訊號給示波器。所要製作的鋸齒波線路,只要滿足下列二點:

  1. 讓接收機可以在高頻內掃描。
  2. 提供同步訊號給示波器,讓接收機的掃描與示波器的水平掃描同步。

    而計時 IC 555 獨挑大樑,一石二鳥,滿足了上述要求。

Fig 04
圖 4:供做頻譜顯示的鋸齒波線路,產生的鋸齒波,線性很差。

    555 IC 之組成的線路用來產生方波,而且是周期比很短的方波脈衝;也就是高位準的時間很短,低位準占去絕大部份的比例,這是為了產生供控制掃描的鋸齒波預做準備的。此脈衝加在電容與電阻相並聯的電路上,結果,脈衝很快地對電容充電,然後由電阻緩慢放電,形成了內凹的鋸齒波,如圖 4 內所示,脈衝頻率大約是 20-30Hz。

    我們也將利用這個鋸齒波來控制接收機的選台,使接收機可以做線性的掃描。但是,變容二極體與控制它的電壓,兩者之間的曲線不是線性。接收機的 LC 調諧線路與頻率之間的關係也不是線性,這只要看一看你接收機上指示頻率的標示刻度並不等量,得到驗證。所謂負負得正,因此,這裡就不再講究鋸齒波的線性。

    供此線路用的 PC 板及零件擺放請參看圖 5。

    事實上,圖 4 產生的鋸齒波是非線性的,如果你希望有更精確的掃描和顯示,參看圖 6,它可以產生完全線性的鋸齒波,稱得上是完美的線性。

圖 5:供圖 4 線路用的線路板及其零件示意圖 (自行以 300 dpi 列印)
圖 6:可產生線性鋸齒波的另一線路 (自行以 300 dpi 列印)

    參看圖 7 是它產生的鋸齒波,此線路是以如圖 8 所示線路為基礎而發展出來的。

    圖 8 是可以和微電腦接聯的數位——類比轉換器,由電腦透過 PIA 把從 0 到 255 依序送給此線路,便可產生極為線性的鋸齒波,但是參看圖 6,微電腦和 PIA 由兩個串接的 16 進位計數器所取代,以簡化線路。

    鋸齒波加在變容二極體上頭,可以改變電容量,然後變容二極體與接收機的 LC 調諧選台線路並聯,這樣就可以使一般接收機成為掃描接收機。另外,鋸齒波也供給示波器的外部觸發訊號,以便示波器的顯示和接收機的掃描,彼此保持同步。

Fig 07
圖 7:圖 6 線路所產生的鋸齒波,可以看出相當線性。
Fig 08
圖 8:圖 6 的線路是以此數位—類比轉換器為基礎而發展出來。



斟酌鋸齒波的頻率

    好好選個理想的 C2 及 R5 值,讓 D3 陰極上量到的內凹鋸齒波型更滑順。C2 及 R5 的理想值完全由嘗試錯誤法則得到。R5 值太大的話,會使 VC1 的電容無法達到最低值,也就使掃描的範圍縮得更小。只有變容二極體達到最大的電容量,才能達到最大的掃描寬度。但是 R5 太大的話,C2 無法徹底放電,也就不能達到該有的掃描範圍。若 R5 太小,雖然可以達到該有的掃描範圍,但是掃描太陡峭,鋸齒波的斜率太大,不能讓示波器的 X 軸拉開,反而擠成一團。

    萬一你的示波器沒有外部觸發的輸入端子,可以直接從示波器內把同步訊號拉出來使用。此時,555 IC 線路也可以省掉。頂多再加個電阻分壓配合,好讓示波器取出的掃描鋸齒波能在 0~12 伏特之間。之後,串聯一只電容,就直接加在 L1 上頭,串接的電容值大小也要由嘗試來決定,這裡可以從 0.001uF 開始做,加減幾次後,應很快可以得到理想的電容值。


調整示波器可看到的頻寬

    我用在線路上的變容二極體是 15pF,但是你可以隨自己的需要選定。或許你要用不同額定電容量的變容二極體,或改變 C3 值,這完全要看你要有多大掃描頻寬來決定。

    33pF 變容二極體似乎是大了些,過大的掃描頻寬,會弄巧成拙,不只壞了解析度,也使示波器的水平解析度應付不來。

    看清楚變容二極體 VC1 及電容 C3 是串聯的,可以初步以公式算出約略的電容值。假若你選擇短波較高頻率部份,那麼,電容值要小一些。相同的原理,低頻率的話,電容值就要大一點。我操作並比較多次之後,發現頻寬大約定在 2MHz 到 10MHz 之間都很合適。

    變容二極體 VC1 與 C3 串接後,把它並聯在短波接收機本地振盪線路上的調諧電容。因為我們掃描的範圍是在幾百 KHz 內,因此,不用對交連一起的射頻調諧線路與本地振盪線路同時調諧,參看圖 9。但要同時調諧也行,我試過與變容二極體 VC1 一樣大小但不串接電容,直接來同時為射頻線路調諧,訊號強度並沒有很大的改變。

圖 9:典型的短波接收機的調諧與本地振盪線路。 (自行以 300 dpi 列印)

    這裡變容二極體所以不再串接電容,是因為超外差接收機的本地振盪頻率,比接收到的電台頻率高出一個中頻。因此,射頻的諧振頻率,當然比本地振盪頻率稍低。但是講究一點的話,與變容二極體串接的電容,還是不要省,因為在必要的時候,可以調整此電容,使訊號最強,示波器上的垂直顯示訊號會高些。

    你可以用雙心隔離線處理須要聯接的訊號,隔離網做共通的接地線,另一條芯線,則可從接收機內傳回 AGC 訊號給示波器的垂直輸入端。這些接線的聯絡,使用 3mmØ 的立體耳機插座及插頭處理,非常方便。


考量同步訊號的頻率

    為了讓示波器的顯示平順、不會閃爍,便於觀看。我決定了 555 IC 的振盪頻率。當然直覺的考慮,一定要大於 10Hz,否則示波器的顯示會有跑動閃爍的感覺,那是因為眼睛的視覺暫留大約是 0.1 秒;而若大於 50Hz,則不但會使垂直顯示變寬變胖,示波器的顯示幕也會有模糊的情形。這可能是因為接收機線路內 AGC 時間常數的限制,因此我把頻率定在 20-30Hz 之間。

    找接收機的 AGC 訊號輸出時,要注意不要因接線而影響時間延遲常數。取得 AGC 訊號後,可以先接到示波器,接收機調到一電台訊號,仔細看看 AGC 訊號強度的昇降反應是不是很快,如果太慢,應該另找適當的點拉出訊號。通常你可以在接收機的中週之後可以找到 AGC 訊號,仔細看看混頻器之後的中週,如果有整流線路,那就是 AGC 訊號。你也可以從射頻放大線路循線找到 AGC,因為通常 AGC 是從中頻的訊號強弱反應給射頻放大器,以達到回饋控制的目的。AGC 訊號是否合適,主宰了此系統的大部份性能,所以要多花點時間。AGC 訊號是否合適 ,可利用示波器監看,直到找著了能夠很快反應出訊號強度的直流 AGC 電壓為止。發現理想的訊號點之後,用訊號線拉出來,以便接到示波器的垂直輸入端。

    接收機的中週頻寬,直接影響了示波器的垂直輸出波形。頻寬越窄,顯示的波形越理想。比較理想的頻寬是 10 或 15KHz。為了避免射頻外洩造成干擾,線路做妥之後,宜用金屬盒安置。進出接收機、示波器與介面線路彼此間的接線,也要採用隔離線比較妥當。


感受頻譜樂趣

    做好介面之後,接上電源,小心聽看看短波接收機有什麼聲音出現。掃描時應該可以聽到很輕的吱叫聲。接收機先調到平時比較多電台的頻段,一切順利的話,先關掉接收機電源,把找妥的 AGC 接到示波器垂直輸入端。示波器的觸發功能設在外部 (EXTERNAL),並且接妥同步訊號。回過頭來,打開電源,切換示波器的垂直輸入靈敏度,使波形在顯示幕上大小適當,示波器的水平掃描則設在比 555 IC 的脈衝頻率稍高些。我把示波器的水平掃描設在 1m sec,然後利用可連續調整水平掃描頻率的旋鈕來調低頻率。

    下回為您介紹極適合 VHF 航空通訊用的垂直極化天線 "SLIM JIM"。《下期待續》 END



雜誌目錄 依順序 雜誌目錄 依主題分類