Цифровой S-метр «Квант»

Цифровой S-метр предназначен для индикации силы принимаемых сигналов в баллах. Его принципиальная электрическая схема показана на рис.1. В данной разработке применён принцип квантования изменяющегося уровня сигнала (напряжения) с использованием совмещённой схемы квантователя-дешифратора (дешифратор по типу микросхемы К155ИД1 – с перемещением логического нуля по мере возрастания сигнала) и последующим переводом десятичного цифрового кода в семисегментный (так называемая схема дешифратора для семисегментного индикатора с промежуточной десятичной дешифрацией). Каждая ячейка квантователя-дешифратора (в десятичный код) охвачена перекрёстной обратной положительной связью, что превращает её в триггер Шмидта с малой петлёй гистерезиса. Индикация осуществляется жидкокристаллическим индикатором.
Сигнал, взятый с выхода УНЧ SSB-приёмника (через выпрямитель АРУ), или с выхода выпрямителя системы АРУ (по ПЧ) АМ (ЧМ)-приёмника, амплитудой 0…0,4 вольта подаётся на вход устройства R1 (если уровень сигнала больше 0,4 вольта, его уменьшают регулировкой R1). При отсутствии входного сигнала транзистор VT1 (транзистор структуры n-p-n) закрыт – напряжение на его коллекторе максимально. Воздействуя на базу VT2 (транзистор структуры p-n-p) оно обеспечивает такое состояния этого транзистора, при котором на его коллекторе (транзистора VT2) присутствует напряжение чуть меньше порога срабатывания (порог срабатывания для применённого типа микросхем равен +5 вольт) триггеров Шмидта квантователя-дешифратора (D1…D5). При увеличении уровня входного сигнала (до +0,4 вольта) напряжение на коллекторе VT2 увеличивается до +9 вольт (относительно корпуса, естественно!). Такая работа схемы обеспечивается соответствующим подбором сопротивления резисторов делителя в базовой цепи R5, R6, R7. Подача в эмиттерную цепь транзистора VT1 небольшого отрицательного напряжения (-3 вольта) через R3, позволяет вести отсчет входного напряжения, начиная с нулевого уровня. Этому же способствует и применение в качестве VT1 германиевого транзистора. При использовании кремниевого и отсутствии отрицательного напряжения на эмиттере отсчет будет начинаться от 0,3 вольта. Схема будет работоспособна и при таком «положении вещей», но показания нижних разрядов будут искажены (однако, учитывая то, что обычно на диапазонах очень шумно, то это не сильно скажется на точности показаний S-метра в данном участке уровней принимаемых сигналов (естественно, при этом придётся подобрать номиналы R5, R6 и R7). Это я к тому, что в отдельных случаях применение второго питающего напряжения иногда создаёт дополнительные сложности радиолюбителям, имеющим желание повторить данную конструкцию).
Управляющее напряжение с коллектора VT2 подаётся на разветвляющие резисторы R9…R17, служащие для регулировки уровня срабатывания ячеек квантователя-дешифратора (D1…D5). Наличие в схеме резистора R27 убирает нижний нерабочий участок напряжений, что облегчает настройку срабатывания ячеек (при перестройке R9…R17 отсутствует холостой ход, при котором ячейки не срабатывают).
Каждой цифре (уровень сигнала в баллах) соответствует своя ячейка – для «0» DD1.1, DD1.3, для «1» - DD1.2, DD1.4 и так далее согласно схеме. Выход (10 DD1.3) нулевой ячейки гальванически связан с входом единичной ячейки (5 DD1.2) через резистор положительной обратной связи R28 – и далее так же по аналогии остальные ячейки. В результате при увеличении напряжения на входе ячейки выше порогового, на его выходе (10) появившаяся единица (скачком) воздействует на вход последующей ячейки (выводы 5 и 12), заставив её скачкообразно включиться. При уменьшении уровня входного сигнала (с учетом гистерезиса), также скачкообразно произойдёт и обратное переключение вовлеченных в данный процесс ячеек (описана работа триггера Шмидта, отличие только в том, что каждая ячейка связана с соседней – перекрёстная связь ячеек). Любой триггер Шмидта обладает петлёй гистерезиса (в данном случае – разность порогов включения и выключения). Для данной схемы он должен быть как можно меньше, что обеспечивается соответствующим отношением сопротивлений R18, R28 для нулевой ячейки, R19, R29 для единичной ячейки и так далее для других ячеек (по аналогии). Пороги включения и выключения таких ячеек можно найти из формул:
Uвкл = (1+R1 : R2) Uпор (произведение суммы единицы и частного от деления сопротивлений, на пороговое напряжение).
Где R1 – входной резистор (R18), R2 – резистор положительной обратной связи (R28), Uпор (пороговое напряжение) в данном случае равно +5 вольт.
Uвыкл = Uпор – R1 : R2 (Uпит – Uпор) (разность от вычитания …)
Ширина петли гистерезиса Uг (разность порогов включения и выключения) не зависит от Uпор и вычисляется по формуле:
Uг = Uпит R1 : R2 (произведение питающего напряжения на частное от деления номиналов резисторов).
При увеличении уровня входного напряжения, на выходах 10, 11 микросхем D1…D5 происходит (по нарастающей) смещение логического нуля вниз по схеме (как и у десятичного дешифратора микросхемы К155ИД1). При этом на выход предыдущей ячейки возвращается логическая единица (из-за воздействия увеличившегося входного напряжения на вход не только переключаемой ячейки, но и соседней - например, 6 DD1.2 и 1 DD2.1). Выход 10 DD5.3 (ячейка переключения цифры «восемь») оставлен неподключенным к семисегментному дешифратору потому, что этот дешифратор работает по принципу гашения ненужных элементов, а в цифре «восемь» гасить нечего – все сегменты индикатора задействованы.
Выходы квантователя-дешифратора (десятичного) D1…D5 подключены к входам семисегментного дешифратора D6, D7. Диоды VD1…VD7 создают дополнительное расширение по «ИЛИ» входов13 DD6.4 и 2 DD7.2, что позволило обойтись без использования дополнительных многовходовых логических элементов. Резисторы R37…R40 служат для получения искусственных логических единиц при использовании расширения по «ИЛИ» на диодах, чтобы обеспечить нормальную работу логики, выполненной на микросхемах МОП-структуры. Семисегментный дешифратор, выполненный на двух микросхемах (D6, D7), производит перевод десятичного кода в код семисегментного индикатора (HG1).
На логических элементах DD8.1, DD8.2, DD8.3 собран генератор прямоугольных импульсов (меандр) с частотой 64 герца. Эти импульсы подаются на ключ VT3, VT4, коммутирующий микросхемы D6, D7 по минусовой цепи питания с частотой 64 Гц (через фазосдвигающий элемент DD5.4 – сдвиг фазы сигнала на 180 градусов), а также на общий провод HG1, через делитель R44, R45. Сиё необходимо, чтобы произвести запитку жидкокристаллического индикатора HG1 по фазовому методу, с целью повышения его долговечности (почти на порядок по равнению с запиткой постоянным током). При запитке фазовым способом, рабочие сегменты и общий провод жидкокристаллического индикатора оказываются под напряжением одинаковых фаз, что их активизирует, а нерабочие и общий провод под напряжением противофазных импульсов – в результате они оказываются неактивизированными (мы их не видим). В то же самое время переменное напряжение, присутствующее на сегментах индикатора резко увеличивает его долговечность (почти на порядок). Следует отметить, что если возникнет необходимость (такое иногда бывает в конструкторской практике!) поменять местами активизированные и не активизированные сегменты (так сказать – задействовать их в негативе), то это можно сделать, поменяв местами номиналы резисторов R44 и R45.
Генератор прямоугольных импульсов можно из схемы исключить, тем самым её упростив, но при этом в точку «64Гц», следует подать меандр с делителя цифровой шкалы, собранной на микросхемах 176 (561) серии с частотой следования импульсов 30…100 Гц.
В цифровом S-метре применены широко распространённые радиодетали. Транзистор ГТ311Б можно заменить любым маломощным транзистором n-p-n типа, но только обязательно германиевым (ГТ323, ГТ329, ГТ330, ГТ341, ГТ362). КТ361А заменим на любой маломощный кремниевый p-n-p структуры (КТ203, КТ208, КТ3107, КТ363). КТ315 заменим на КТ306, КТ316, в том числе и на низкочастотные. КП302 заменим на КП303, КП307. В качестве жидкокристаллического индикатора использован ИЖКЦ1-1/18 (одиночный знак). Можно использовать и отдельный знак от ЖКИ, применённого в радиоприёмнике «Ишим». В данном случае используется самый правый (он, обычно, меньше по размеру) знак, а остальные пять используют в цифровой шкале (так я поступил в приёмнике «Комби-Тест»). При этом знак S-метра сзади подсвечен светодиодом красного цвета, а знаки цифровой шкалы – белым (между ними установлена светонепроницаемая перегородка). Постоянные резисторы применены марки МЛТ-0,25 или МЛТ-0,125. Диоды КД522 заменимы на КД503. Конденсаторы использованы марки КМ и М9115 (электролитический). Микросхемы серии К176 можно заменить серией К561 (при этом лучше использовать напряжение питания +12 вольт, что во многих случаях удобнее при использовании двенадцативольтовой приёмной технике – отпадает необходимость в применении дополнительного девятивольтового стабилизатора).
S-метр выполнен на одной печатной плате (односторонний фольгированный стеклотекстолит, толщиной 1мм и размером 100х75мм). Печатная плата предусматривает возможность удаления генератора прямоугольных импульсов – в этом случае её конфигурация адаптирована под приёмник «Комби-Тест». Часть соединительных перемычек выполнена изолированным монтажным проводом, другая часть – голым.
Рисунок печатной платы показан на рис.2, монтаж на рис.3 (внешний вид на фотографиях).
Перед настройкой S-метра следует убедиться в отсутствии короткого замыкания по цепям питания (в такой относительно сложной по рисунку печатной плате это крайне необходимо!). При отсутствии «КЗ» следует подать питание +9 вольт (в две точки печатной платы!). Затем подать питание – 3 вольта на R3. Движок резистора R1 установить на максимум (вверх по схеме). Движки R9…R17 на минимум (вправо по схеме). Подать на вход устройства постоянное напряжение 0,4 вольта и вращая движок R1, убедиться в изменении напряжения на коллекторе VT2 в пределах 4,8…9 вольт. Если оно отличается от указанного, то путём подбора сопротивлений R5, R6, R7 добиться оного. Подбором сопротивления резистора R3 добиться начала изменения напряжения на коллекторе VT2 с нуля (на входе схемы).
Проверить наличие напряжений на выводах 10, 11 микросхем D1…D5 (на выводе 10 DD1.3 должен быть логический ноль, на остальных – логические единицы). При этом HG1 должен индицировать «0».
Вывести движок R9 на максимум чувствительности (до упора влево). Медленно подстраивая движок R1, добиться гашения единицы на выводе 11 DD1.4, при этом на выводе 10 DD1.3 должна появиться единица (индикатор HG1 при этом должен индицировать единицу).
Далее чуть-чуть увеличить на входе управляющее напряжение движком R1, после чего, подстраивая R10 добиться гашения единицы на выводе 10 DD2.3 (при этом на выводе 11 DD1.4 должна появиться единица) и зажигания цифры «два» на HG1.
Аналогичные операции следует проделать и с оставшимися цифрами (R11…R17).
По завершении последнего следует убедиться в правильности последовательной смены цифр индикатора при вращении движка R1 в ту и другую сторону.
Далее S-метр подключают к реальному приёмнику и, подавая на его вход сигналы с ГСС напряжением, соответствующим общепринятым оценкам его силы в баллах, путём более точной подстройки движков R9…R17, добиваются соответствий показаний S-метра в баллах реальным амплитудам входных сигналов приёмника.
15.12.2012г. Рубцов В.П. UN7BV. Астана, Казахстан.