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直接頻率合成式射頻震盪器

Fig 01

No.44   1996 Sep.   p92~95,   by 林茂榮 Paul Lin, BV5OC, P.O. Box 23-575 Changhua



    我有一部古老的收發機,一般而言,她的性能還算不錯,足以應付大多數場合,只是她的溫機程序,有時常會有「開機恨晚」的感覺,因為這收發機的振盪線路使用傳統的類比振盪線路,開機之後會有很大的頻率漂移。除了需要不時微調工作頻率之外,因為這收發機也一直沒有外接的本地振盪器,所以也就無法做發射與接收頻率不同的分頻 SPLIT 單工通訊。一般在遠征通訊場合,都會因為通訊擁擠,而採用切頻做通訊,例如在 PILE-UP 狀況下,聰明的操作者會使用上下十 KHz 範圍內的頻率來接收對方的訊號,這樣就可以打散擁擠的 狀況,也比較容易理出頭緒來。所以一般注重遠征通訊或稀有電台通訊者,收發機一定要有切頻操作功能。而這部老式的收發機 TR-7A 就沒有這功能。

    有一段期間,我嘗試根據 QST 雜誌上的廣告買個可以當作外接的可變振盪器,可惜一直如法如願。在這一段期間,我試著以新的數據模式 CLOVER 來試這收發機,就算是溫機好幾小時,因為頻率漂移過大,依然無法使用 CLOVER 通訊,當然我可以把這部收發機擺一邊,換一部現代化的收發機,問題是,我很珍惜這部相處甚久的收發機,有一陣子因為操作桌擁擠,擺不下而把她收藏起來,過不了幾天,好像是害相思似的,還是忍不住再把她擺到桌面上來。

    既然要用她,就必須解決頻率穩定度的問題,買不到合適的外接振盪器,只好自己做了,下面要介紹的這個直接合成式頻率產生器就是在這背景下誕生的。因為主要材料是直接頻率合成用的 LSI,線路結構並不很複雜,又因為採用數位直接頻率合成 (DDS),輸出訊號頻率也非常穩定。


線路

    參看圖 1 是數位直接頻率合成線路,要製作這線路,可以說再簡單不過了。線路的重心是一枚數位直接頻率合成 LSI,這只 IC 就像是表演魔術的黑盒子般神奇,只要提供穩定的時脈訊號 (這線路是 40MHz) 給它,同時對幾隻腳做程式控制 (這裡利用個人電腦來做,下面很快會談到),就可以得到 20KHz 以下任何想要的頻率,而且解析度還可以達到 0.009Hz。除此之外,整個訊號產生線路,不需要任何調整,也沒有 PLL 頻率合成線路上會有的許多問題。

Fig 01
圖 1:數位直接頻率合成式射頻振盪器線路。

    DDS 晶片是 HSP145102PC-40,它並不是直接產生可變振盪頻率 (VFO) 訊號,而是輸出一串串的數位訊號,這數據包含有用來產生可變振盪頻率訊號的振幅及相位。而數位 - 類比轉換器 CA333AE,就把這些數據一一轉換成一極小階的直流訊號,這些很多極小階的直流訊號,構成了正弦波的模樣。

    HSP-145102PC-40 的輸出是 12 位元的,因此這晶片的輸出腳有 12 隻,OUT0 到 OUT1。但是這裡只使用了 8 位元數位 -- 類比轉換器,最小的 4 位數完全擺著不管。

    很純的正弦波只應會有 1 個頻率,但是參看圖 2, 3,這直接頻率合成頻率振盪器輸出訊號,除了要的訊號外,還有一些比較弱的其他頻率訊號。而 DDS 晶片的輸出位元數大,輸出數據轉換後的訊號,就越接近正弦波。也就是說,U1 的位元數越多,輸出的混附訊號也就越少越小,這要看應用範圍而定。例如,10 位元的數位 - 類比轉換器,可以產生還算純的訊號,而 12 位元的數位 - 類比轉換器,輸出的訊號就更接近正弦波了。在本文討論的應用範圍,沒有必要很高的數位 - 類比轉換器解析度,因為 TR-7A 內的濾波器,可以把直接 頻率合成頻率振盪器輸出的諧波完全濾除乾淨。

Fig 02
圖 2:這部直接頻率合成式射頻振盪器我出訊號,除了所要的訊號外,還有一些比較弱的其他頻率訊號。而 DDS 晶片的輸出位元數大,輸出數據轉換後

Fig 03
圖 3:數位合成式振盪器訊號所產生的失真訊號。



供作寬廣頻率的訊號源

    這部直接頻率合成頻率振盪器,利用指令,可以輸出的最高頻率是 20MHz,針對一般實驗及測試用的訊號源來說,這真是個迷人的製作,拿她來做這方面的用途綽綽有餘。如果有意要把這直接頻率合成頻率振盪器,拿來作為發射機的訊號源,或供做接收機的本地振盪訊號,那麼在輸出端,一定要再加個濾波器,參看圖 2,除了各式各樣很弱的混附訊號外,這些混附訊號的分佈數目及振幅大小,與直接頻率合成頻率振盪器的輸出有關,一般若是不加個濾波器,直接由數位一類比轉換器輸出的話,會含有下列訊號:

  • 所要的基本頻率及其諧波。

  • 系統時脈訊號 (40MHz) 及其諧波。

  • 時脈訊號與基本頻率的混頻 (時脈 ±基本頻率)。

  • 時脈諧波訊號與基本頻率的混頻 (時脈諧波 ±基本頻率)。

  • 數位 - 類比轉換器內線性線路所產生的交互調變。

    總之,你也不能把這直接頻率合成頻率振盪器輸出,不經濾波就直接饋送到天線上去。其實當頻率超過 10MHz 以上,要製作能符合業餘法規的發射機濾波器並不難;還有這裡的數位 - 類比轉換器的輸出阻抗是 160 歐姆。

    當輸出頻率越接近 20MHz (時脈訊號頻率之半),由時脈訊號與基本頻率的混頻 (時脈±基本頻率) 所產生的基頻就越接近 20MHz,例如,直接頻率合成頻率振盪器輸出是 19.1MHz 時,時脈訊號與基本頻率的混頻所產生的基頻是 20.9MHz,而且這訊號的振幅與基頻幾乎相等,頻率這麼接近,光靠簡單的低頻濾波器,根本無法濾除乾淨。


控制軟體

    目前有兩個簡易的控制軟體,一是 SIG_GEN,另一是 Digi VFO,第一程式是針對 IBM 相容個人電腦,可以透過印表機埠來控制,這是利用 QBASIC 寫的,所以你可能會覺得速度不夠快,但是針對各種缺點做改善,SIG_GEN 現在已經很棒了,可以配合直接頻率合成頻率振盪器使用,作為一般訊號產生器。SIG_GEN 內還有一功能,可以讓直接頻率合成頻率振盪器,成為一掃描訊號產生器,前頭說過,QBASIC 當然速度不夠快,但是掃描的確可以動作。如果可以用組合語言寫程式,那請參看 QBASIC 原始程式,就可以明瞭其中的控制原理。

    直接頻率合成頻率振盪器也可以當作可變頻率振盪器 (VFO) 來使用,但是一定要注意,這類用途有個陷阱 (或說是難題),那就是控制的頻率與工作頻率可以有個差距,例如當作接收機的本地振盪器時,與接收頻率之間,就有個中頻的差距。例如 TR-7A 的 VFO,當工作頻率是 X.000-X.500 或是 X.500-X.000 時,是對應到 5.05MHz 到 5.55MHz,要是想把 TR-7A 的工作頻率調到 7.203MHz 時,VFO 頻率是 5.253MHz,這樣要改變工作頻率時,用人工來計算,可能不只是很笨,恐怕也常會弄錯。而第二個程式 Digi VFO 就是針對這項缺 點所寫的程式。


製作

    洗線路板雖然麻煩些,但是製作起來非常省事。利用銅箔面為接地板的技巧也可以,使用繞線技巧也行,只不過是若有接線錯誤,檢查起來頂麻煩的。

    製作好這直接頻率合成頻率振盪器時,一定要用金屬盒包妥,不論是到接收機或者是電腦的訊號接線,也以隔離線為宜,雖然我曾試過一般線並沒有出現干擾現象,但我還是建議務必要使用隔離線。因為這個製作的時脈訊號,高達 40MHz,而且雖然只有幾只 IC,卻內含有 3 萬只以上的電晶體,這樣的線路是很容易產生射頻干擾的。


操作

    R1 是用來設定輸出振幅大小的,測試時,可以把 R1 擺在中間位置,先把 R1 轉到任何一端盡頭,再回轉 5 圈。試用時,我把 R1 調到讓輸出振幅與 TR-7A 等量,R1 設定輸出最大時,振幅約 5V 左右,這是含有直流成份的,使用時,以耦合電容串接,此時輸出振幅約 2.5VP-P

    直接頻率合成頻率振盪器的指令相當簡單,上升箭頭 (UP) 可以增加頻率,要讓頻率下降,可以使用往下箭頭 (DOWN),數字鍵上的 [+] 及 [-],是用來改變每一步階 (STEP) 的大小,步階最小時,調諧起來可以像是傳統的類比本地振盪,當步階增大時,大過 100Hz 時,調起來就會變成雜聲四起。

    當然你可以直接輸入頻率值,首先要按 D 鍵,然後再依照頻率值由右至左輸入,例如要到頻率 14.1789MHz 上去,則要依序按 [D]、[1],[4]、[1]、[7]、[8]、[9]、[0]、[0]、[0]、[0]。

    DigiVFO 也有頻道記憶功能,搜尋國外電台,我總要在波段內逛來逛去,好希望找個可以工作的電台,當然以我使用 G5RV 多波段偶極天線及 100 瓦的輸出功率,根本不可能搶到有如蜂窩般熱鬧的稀有電台,但若不死心,那只好先按 [S] 鍵,再按 F1 到 F10 之間任何鍵,這樣就可以把這電台的頻率儲存到該功能鍵裡頭,只要按該功能鍵,這電台的頻率就回重新回來。這樣我不只可以在波段內閒逛,還可以追蹤有興趣的鎖定電台。

    以前一直夢想市場上可以找到 TR-7A 合用的 VFO,現在不用了。這直接頻率合成頻率振盪器不只製作簡單,頻率也非常穩定。 END



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