单边带测试音频信号发生器


借助这个简单仪器获知你的电台实际发射的信号

作者:戴夫·林登(Dave Lyndon),呼号是AK4AA

翻译:LifeWieller

本文已发表于《电子制作》2015年8月刊

一种常用的测试单边带发射机和线性放大器的方法是双音测试,即同时输入两个等幅低失真音频正弦波来测试或调节载波频率,使其和单边带滤波器通带频率一致,也可用于测试单边带滤波器通带。大多数火腿可能没有音频信号发生器和将两个信号无失真叠加的设备,因此一台包括这两个功能的信号发生器将会是一件方便实用的工具。

一种简便的实现方法

本文中介绍的文氏电桥振荡器可以产生低失真的300Hz,700Hz,1900Hz和2700Hz音频信号可以选择单独输出某个频率,也可以选择300Hz或700Hz和1900Hz或2700Hz组合输出。700Hz和1900Hz等幅频率组合由于没有相同的高次谐波频率,并且都在单边带滤波器的通带范围之内,因此常用于双音测试。如果发射机设置正确,这两个频率的信号可以以相同幅值并且没有明显失真地通过发射机调制电路。

由于300Hz和2700Hz这两个频率通常是单边带带通滤波器的上下截止频率,因此通常用来调节发射机载波信号振荡器频率。在进行测试时,用示波器观察发射机输出信号,调节发射机使输出信号如图1所示,此时在输出端两个频率信号幅值相等,失真最小。图2是调节不正确的发射机输出的信号波形。

少数电台单边带晶体滤波器通带范围不是300Hz到2700Hz,对于这些电台,测试频率需要相应做出调整,可通过调整文氏电桥振荡器两臂电容实现。文氏电桥振荡器频率与电桥两臂的电阻电容值之积成反比。

信号发生器电路

信号发生器包括两个独立的振荡器,一个线性加法器和一个低阻抗输出级,整个电路使用一片LM837N四运放和一个MPF102 JFET晶体管实现。高增益、低噪声的宽带运放在这里有些大材小用,但0.64美元的价格(Mouser提供的报价)确实很有吸引力【注释1:www.mouser.com】。信号发生器使用文氏电桥振荡电路,经过调试可以提供低至0.1%谐波失真的音频正弦信号【注释2:Mancini and Palmer, Sine Wave Oscillators, TI Application Report SLOA60, Mar 2001, section 8.1 Wien Bridge Oscillators】。信号发生器电路框图如图3所示。

——振荡器电路

电路中微型灯泡B1和B2用来保持振荡器输出信号幅值恒定。将回路反馈电阻R1和R2调节至合适的值之后,灯泡的电阻会随着流过的电流增大而增大,使输出电平降低,反之亦然。在±4.5V电源电压下,通过调节R1和R2可以使振荡器输出稳定保持在1VRMS。

——运放加法器电路

运放加法器可以将两路振荡器信号相加得到所需输出信号,并且不引入交调失真。加法器通过深度负反馈将输出信号电平压缩到约100mV,使其工作在线性区,保证输出信号失真尽可能小,并通过输出端的可变电阻将最终输出信号电平限制在麦克风输入电平范围内。

——源极跟随器输出级

使用集成的第四个运放作为输出级听起来很不错,但是在输出负载为抗性负载时会变得不稳定,因此电路中使用MPF102构成的源极跟随器电路作为输出级。在跟随器输出端和输出RCA插座之间连接有10μF钽电容用于防止信号发生器和待测设备直流电平不同带来的问题,电容容量大小根据输出信号源内阻、输出信号最低频率和负载阻抗确定,此处假设负载阻抗最小为600Ω,信号源内阻为50Ω。

多数发射机的高阻抗麦克风输入需要5 ~ 25mV输入电平,因此需要将信号源输出信号电平限制在此电平范围内。如果需要更高输出电平,可以将1500Ω反馈电阻换成阻值更大的电阻(减小负反馈程度),或将跟随器输入端的分压电阻换成较小阻值的电阻,或者用导线代替。

——供电方案

如果你刚好有±5V双输出的电源适配器,那么正好可以为信号发生器供电。如果没有,也可以使用+6V隔离电源适配器供电。信号发生器所需电流较小,大约70mA,因此变压器式电源适配器输出电压会比较高,大约为9V。输出电压通过输入分压器变换为±4.5V电压为其他部分供电。在制作第一版时我发现使用电源适配器不是很方便,因此改用9V电池为信号发生器供电。9V碱性电池通常容量为800mAh,可以供信号发生器连续工作10个小时。通常信号发生器不会连续使用很长时间,因此一节电池在通常使用情况下可以供信号发生器使用几年。在不使用时可以关掉信号发生器电源开关,以节约电量。

输入分压器两个串联的100Ω 1/2W电阻中点接地,将9V电压等分为正负电压,100μF电解电容为滤波电容,可以保持电源电压稳定。正负电压两端分别连接到U1的4和11引脚。MPF102只需要使用正电压,因此正负电压需要的电流会稍微不同,正电压所需电流稍大一些,不过影响不大。

由于以上电源连接方式,整个信号发生器处于浮地状态,因此需要将信号发生器和被测设备的接地端连接到一起以提供参考地平面。RCA插座屏蔽外壳和信号发生器接地端连接在一起,在连接至待测设备时可以将两者接地端连接在一起。将信号发生器外壳连接至接地端可以提供更好的屏蔽效果,但这不是必须的。

制作信号发生器

信号发生器元件安装在专用的印刷电路板上,可安装在5x3x2英寸的铝盒中。印刷电路板是免焊接设计,但为了可靠起见,建议将元件以焊接方式安装。电路板通过自攻螺钉固定在L形金属片上,金属片通过自攻螺钉固定在铝盒侧壁。金属片为从铝板上剪下的条形金属片,在台钳上固定弯折而成。

PCB上较长的两个边沿上各有两段连续的的长导线,四条长导线焊到一起作为公共接地导线。信号发生器的主要元件都安装在PCB上,为能够精确调节输出信号电平,振荡器反馈电阻R1和R2为多圈精密电位器,普通单圈电位器精度较低,不适合这类应用。

对于每个信号发生器输出频率,其文氏振荡器两臂电容容量需要经过配对以确保容量相同。两臂电容容量并不是常见数值,而是通过将常见容量电容并联得到的,见图4说明。电容容量会有一定误差,需要经过实际测量,选择容量尽可能接近标称值的电容。测量时可以使用其中一个振荡器作为临时测量电路,用频率计测量输出频率。如果没有频率计,可以直接选用高精度的电容。通常如果按照元件清单选用电容,输出频率误差会在5%以内。出于长期稳定性考虑,建议使用NP0瓷片电容或聚丙烯电容。

文氏电桥振荡器两臂电容直接焊在双刀双掷开关接线端子两端,开关安装在前面板上。为方便焊接,先将电容和引出导线焊到开关上,然后将开关安装到前面板上。这样每个频率选择开关到PCB之间只需要连接两根导线即可。此外每个振荡器还需要引出一根接地导线用于连接振荡器使能开关。制作时需要为这六根导线预留出足够长都,以方便后续维护。图5为300Hz/700Hz选择开关连接方式,1900Hz/2700Hz选择开关连接方式与此相同。

穿心式RCA插座屏蔽外壳与机壳相连,接地端连接至线路板接地端,外壳其他部分不与线路板接地端连接,以防止形成接地环路。图6和图7为信号发生器外观和内部结构图。

校准和使用

首先将反馈可变电阻R1和R2调节至中点处,此时由于输出信号幅值过大,振荡器输出波形应近似为方波。调节反馈可变电阻R1和R2直到波形变为完美的正弦波,并继续调节至振荡器刚好停止工作。然后反方向调节至振荡器刚好开始工作,然后再将可变电阻向相同方向旋转一圈,此时振荡器可以可靠起振,并保持稳定输出。

在刚通电时或频率改变时,振荡器输出信号幅度会上下波动,大约1秒后幅值稳定下来并保持稳定。在±4.5V电源电压情况下,振荡器输出脚信号电平峰峰值约为电源电压的30%,即3V,从而保证输出信号低失真。

在前面板输出电平控制旋钮调至最大时,单一频率输出电平约30mVRMS。要调节信号源输出电平,首先将频率输出调节为300Hz单一频率输出,使用示波器或交流电压表观察输出电压,然后调节反馈可变电阻;再将输出频率调节为2700Hz,调节反馈可变电阻,使两次输出电平相同,这样在其他频率上输出电平可以达到基本相同。

借助音频信号发生器,可以很方便的调整单边带发射机,并且在业余无线电、电子实验、维修等很多场合都能发挥作用。通过这个制作让周末时间变得充实起来吧!

 

戴夫·林登(Dave Lyndon),是ARRL会员,目前持有业余无线电高级执照。戴夫在1956年第一次获得业余无线电执照,他先后使用过WA2JGJ、OX5AB的呼号,现在他的呼号是AK4AA。在退休之前,戴夫曾在海军雷达系统的航天工业部门中担任工程师和管理双职位。戴夫曾学习物理学,之后在加利福尼亚州被授予电子专业工程师执照。

自从2000年退休以后,戴夫就在北卡罗来纳州阿什维尔市的一所社区大学担任教员。除此之外,戴夫还为其他火腿修理设备,并在ARRL刊物上发表多篇文章。戴夫的地址是85 Wood Farm Rd, Hot Springs, NC 28743-7224,电子邮箱是ak4aa36@gmail.com,个人网站是www.oldhamdave.com。

图1:调节正确的发射机进行双音测试时输出的单边带调制包络信号。

图2:调节不正确的发射机进行双音测试时输出的单边带调制包络信号的一种情况

图3:四测试音发生器原理框图

图4:四测试音发生器电路图和元件清单。如果只需要双测试音发生器,S1、S2和对应的电容不需要安装。
以小数表示的电容容量单位为μF,其他电容容量单位为pF;电阻阻值单位为欧姆,k=1000,M=1000000。
B1,B2——12V,25mA微型灯泡(RadioShack货号272-1092)
BT1——9V碱性电池
C1,C2——100μF,15V电解电容
C3,C4——5520pF电容,使用4700pF和820pF NP0瓷片电容或聚丙烯电容并联
C5,C6——2350pF电容,使用2200pF和150pF NP0瓷片电容或聚丙烯电容并联
C7,C8——820pF NP0瓷片电容或聚丙烯电容
C9,C10——590pF电容,使用470pF和120pF NP0瓷片电容或聚丙烯电容并联
C11——10μF,35V钽电容
J1——RCA穿心型插座
Q1——MPF102场效应管
R1,R2——500Ω,10圈精密可变电阻
R3-R6——100kΩ,1/4W,1%精度电阻
R7,R8——4.7kΩ,1/4W,1%精度电阻
R9——1.5kΩ,1/4W,5%精度电阻
R10——1kΩ,1/4W,5%精度电阻
R11——680Ω,1/4W,5%精度电阻
R12——500Ω可变电阻
R13,R14——100Ω,1/2W,5%精度电阻
S1,S2——双刀双掷开关
S3-S5——单刀双掷开关
U1——LM837N四运放
印刷电路板(RadioShack货号276-170)
铝制外壳(RadioShack货号270-238)

图5:开关S1、S2和与之相连的电容的安装方式。开关和印刷电路板之间只需要两根导线连接。

图6:音频信号发生器前面板。中间的旋钮调节输出电平可变电阻R12阻值,输出插座J1和电源开关S5在背面。

图7:信号发生器内部,印刷电路板通过L形金属片固定在外壳上。

音频信号发生器的使用

如果想要测试发射机失真,除音频信号发生器外,还需用到示波器和定向耦合器。设备之间连接如图A所示,设备之间用屏蔽音频线或同轴线连接。

将测试音频发生器输出端连接至发射机或电台麦克风输入端,调节电台麦克风增益旋钮,将输出功率调节至合适位置。对于通常的双音测试(详情请见ARRL手册)需要将发射频率调至最大以观察大功率发射情况下输出波形失真情况。如果需要调节载波频率,发射功率不需要设置很大,大约设置到50%或更小一些即可。

发射机输出信号通过定向耦合器耦合至示波器垂直输入端口。如果没有定向耦合器,可以将带采样输出的功率计或驻波表的反向电压输出接口引出信号至示波器。如果这些都没有,可以用两个简单的电容组成分压器进行信号采样,电路图如图A所示,电容分压器通过T形同轴接头连接在发射机和天线或假负载之间。电容容量要求不是很严格,但需要能够承受发射机以100W功率输出时的电压,约100V,分压器接地端连接至同轴线屏蔽层。按图中元件参数制作的分压器在100W输出功率时电压峰峰值约为2V。

将示波器垂直增益设为合适值,使波形能够完整的在屏幕上显示,将扫描频率设为约0.1ms/cm,触发选择设置为垂直输入,调节触发电平使信号稳定显示在示波器上。不同示波器设置可能不同,需要实际测试达到最佳效果。

图A:单边带发射机测试接线示意图。各设备之间使用屏蔽线或同轴线连接。

名词解释

JFET——结型场效应晶体管。其特点是高输入、输出阻抗。作为源极跟随器使用时,输出阻抗低。

线性放大器——可以将输入信号无失真放大一定倍数的放大器。这是一种理想的放大器,对于实际放大器,放大信号的同时会造成信号失真,并且随着输入信号增大,输出信号失真增大。

运算放大器——具有对称的两个输入端的放大器,其特性好于其他类型的模拟信号放大器。通常简称为运放。

SSB——单边带。通常调幅发射机发射的信号包括不包含信息的载波信号和包含信息的两个边带信号,其中两个边带信号,上边带和下边带包含的信息相同,因此将载波信号和其中一个边带信号滤除,只发射一个边带信号,即可将所需信息发射出去,并且发射机效率更高。通常短波频段的业余无线电信号都采用单边带方式发送。

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