Радиостанция переключается на заданный канал, а вместо него слышна соседняя частота. Индикатор уверенно показывает нужные цифры, питание в норме, приёмник слышит эфир, а связь уходит мимо. Такая картина сбивает с толку даже опытного мастера, потому что синтезатор честно считает себя исправным. Виновата тонкая настройка петли ФАПЧ, а точнее её перекос, который в схеме ничем не выдаёт себя на первый взгляд. Дальше разговор пойдёт о том, как петля фазовой автоподстройки берёт частоту, где она срывается и что заставляет её возвращаться на место буквально резистором и конденсатором. Основой послужит реальный случай с микросхемой КФ1010ПЛ1, которая десятилетиями стоит в связной аппаратуре и до сих пор встречается в радиолюбительских конструкциях.
Ядро петли ФАПЧ внутри микросхемы и обвязка вокруг него
Микросхема КФ1010ПЛ1 относится к классу однокристальных синтезаторов частоты с фазовой автоподстройкой. В одном кристалле у неё собрано почти всё, что нужно петле: кварцевый опорный генератор, делитель опорной частоты, частотно-фазовый детектор с насосом заряда, программируемые счётчики с предделителем и последовательный интерфейс, через который в регистры записываются коэффициенты деления. Вне кристалла остаются кварц, петлевой фильтр из резисторов и конденсаторов и управляемый генератор, сокращённо ГУН, с варикапами в контуре.
Интерфейс программирования занимает три линии. По одной идут данные, по второй тактовые импульсы, третья стробирует запись в регистры. Пока строб закрыт, счётчики работают со старыми коэффициентами, в момент открытия содержимое регистра переписывается целиком. Сбои на этих линиях коварны: петля продолжает работать идеально, но делит не ту частоту, и никакой внутренней самодиагностики у микросхемы не предусмотрено.
Работает связка так. Кварц задаёт опорную частоту, делитель опорной частоты приводит её к частоте сравнения. ГУН вырабатывает рабочую частоту, программируемые счётчики с предделителем делят её до той же частоты сравнения. Частотно-фазовый детектор сравнивает оба потока и при расхождении выдаёт в насос заряда импульсы, которые через фильтр поднимают или опускают напряжение на варикапе. Частота ГУН ползёт до тех пор, пока оба делителя не приведут сигналы к одной частоте и одному фазовому положению. С этого момента петля считается захваченной.
Из архитектуры следует главное соотношение синтезатора. Выходная частота равна произведению полного коэффициента деления на частоту сравнения, а шаг сетки равен частоте сравнения. Пусть опорный кварц работает на 6,4 МГц, а делитель опорной частоты запрограммирован на 256, тогда частота сравнения получится 25 кГц. Ровно столько составляет шаг сетки. Для канала 145,000 МГц полный коэффициент деления должен быть 5760, потому что 145000 кГц, разделённые на 25 кГц, дают ровно 5760. Ошибка на единицу в этом числе уводит выход на соседний канал.
Разница между полосой захвата и полосой удержания петли
У петли ФАПЧ есть две границы, которые часто путают. Полоса удержания показывает, в каком диапазоне расстроек петля сохранит синхронизм, если захват уже состоялся. Полоса захвата отвечает на другой вопрос, из какой начальной расстройки петля сама войдёт в синхронизм после включения питания. Вторая граница всегда уже первой, и именно она определяет, заведётся ли синтезатор вообще.
Полоса удержания упирается в пределы напряжения, которое способен выдать насос заряда. Числа здесь всё объясняют. Крутизна ГУН равна 12 МГц на вольт, насос заряда качает управляющее напряжение от 0,6 до 4,6 вольта при пятитивольтовом питании, значит доступный размах составляет 4 вольта. Произведение 12 МГц и 4 вольт даёт 48 МГц удержания. Перестройка ГУН на два мегагерца для перекрытия диапазона 144-146 МГц тонет в этом запасе. Удержание не проблема.
С захватом всё иначе. Пассивный петлевой фильтр не держит постоянную составляющую идеально, интегрирование в нём неполное, поэтому полоса захвата оказывается в разы уже полосы удержания и сильно зависит от постоянных времени фильтра и от коэффициента демпфирования. Если ГУН после включения стартует с расстройкой в сотни килогерц, а полоса захвата узкая, петля не находит канал. На управляющей линии варикапа в этот момент видно характерное дыхание напряжения с частотой сравнения, а в эфир идёт неустойчивый сигнал с плавающей частотой. Мастер, впервые видящий такую осциллограмму, обычно подозревает варикап, хотя тот может быть полностью исправен.
Есть и третья величина, время вхождения в синхронизм. Для исправной петли с частотно-фазовым детектором его оценивают примерно в двадцать пять периодов сравнения после подачи питания. При частоте сравнения 25 кГц это миллисекунда, на слух мгновенно. Если захват растягивается на десятки и сотни миллисекунд, петля сигналит о недостаточном усилении, перетяжелённом фильтре или о начальной расстройке на самой границе полосы захвата.
Случай из практики с уводом синтезатора на соседний канал
Теперь сам случай. В ремонт попала носимая радиостанция диапазона 144-146 МГц с синтезатором на КФ1010ПЛ1, у которой до этого меняли варикап в ГУН и освежали пайку в контуре. Хозяин формулировал жалобу коротко: станция работает, а каналы не те. На индикаторе стоит седьмой канал, передача уходит туда, где должен сидеть десятый. Иногда после долгого прогрева частота выползала на место сама, иногда нет. Числа в этом разборе округлены так, чтобы расчёт читался легко, на принципах это не отражается.
Осциллограф на управляющей линии варикапа показал сразу две вещи. На установившемся захвате поверх постоянного напряжения около 2,1 вольта сидели заметные пилы размахом около 0,8 вольта с периодом, равным периоду сравнения, чего в исправной петле с правильным фильтром почти не бывает. А в момент включения передачи по линии строба пробегали искажённые импульсы, наведённые мощным сигналом передатчика в шину программирования.
Второй дефект прямо указывал на источник увода. Насос заряда честно отрабатывал импульсы, но из-за сбоя записи в счётчик делителя попадало число на единицу больше или меньше нужного, и микросхема, не подозревая об ошибке, выводила соседний канал. К этому добавился и опорный кварц. Частотомер показал уход опоры на 1500 Гц от номинальных 6,4 МГц, подстроечный конденсатор кто-то крутил на глаз в попытке растянуть сетку.
Относительная ошибка опоры составила 1500 Гц на 6,4 МГц, то есть около 0,000234. Эта доля переносится на выход целиком. На частоте 145 МГц уход получится 145000 кГц, умноженные на 0,000234, почти 34 кГц. Шаг сетки всего 25 кГц, поэтому выход уезжал не просто мимо, а за соседний канал. Вот и весь секрет увода, который снаружи выглядел загадочно.
Причины срыва захвата на краях диапазона перестройки
Почему петля слабеет именно на краях диапазона? Никакой мистики, чистая физика варикапа. Его ёмкость зависит от обратного напряжения по гиперболическому закону, поэтому крутизна ГУН падает там, где варикап сильно заперт. В нижней части диапазона при малом управляющем напряжении ГУН из примера давал 14 МГц на вольт, а в верхней части, ближе к четырём вольтам, крутизна опускалась до 9 МГц на вольт. Усиление разомкнутой петли пропорционально крутизне, а полоса захвата следует за ним медленнее, по корню квадратному. Падение крутизны в полтора раза сужает полосу захвата примерно в 1,2 раза. На бумаге мелочь. В реальной схеме, где запас по захвату уже съеден перетяжелённым фильтром, этих процентов хватает, чтобы на верхнем канале петля не поднималась до нужной частоты.
Крутизну несложно проверить прямо в схеме. На варикап через резистор подают пару вольт от регулируемого источника и измеряют частоту ГУН в двух точках. Отношение изменения частоты к изменению напряжения и есть крутизна. Если по диапазону она различается сильнее чем вдвое, контур или варикап подобраны неудачно, и фильтр придётся считать по худшей точке.
Отдельная история с монтажом. Каждый сантиметр дорожки от ГУН до варикапа добавляет единицы пикофарад паразитной ёмкости, а они сдвигают контур и меняют крутизну. Если варикап вынесен на длинных дорожках, крутизна уходит от расчётной, и фильтр, посчитанный для другой крутизны, живёт своей жизнью. Добавим сюда окисленный подстроечник в контуре, утечки от старого флюса, подсевший стабилизатор питания ГУН. Каждая мелочь поодиночке терпима, вместе они съедают полосу захвата, и синтезатор становится лотереей.
Расчёт петлевого фильтра на конкретных номиналах
Петлевой фильтр в этой истории оказался главным подозреваемым. В станции стоял пассивный фильтр с интегрирующей ёмкостью C1 0,22 мкФ и нулевым резистором R2 1 кОм. Остаётся посчитать, как такая комбинация живёт при коэффициенте деления 5760, токе насоса заряда 1 мА и крутизне ГУН 12 МГц на вольт.
Собственная частота петли равна корню квадратному из отношения произведения тока насоса и крутизны к произведению коэффициента деления и ёмкости. Произведение тока и крутизны даёт 1 мА, умноженный на 12 МГц на вольт, то есть 12000. Произведение коэффициента деления и ёмкости даёт 5760, умноженный на 0,00000022 Ф, то есть 0,00127. Отношение 12000 к 0,00127 равно 9450000. Корень квадратный из этого числа равен 3075 радиан в секунду, деление на 6,28 даёт собственную частоту около 490 Гц.
Коэффициент демпфирования считается как произведение тока насоса, крутизны ГУН и сопротивления нулевого резистора, делённое на удвоенное произведение коэффициента деления и собственной частоты в радианах. Числитель даёт 12000, умноженные на 1000 Ом, то есть 12000000. Знаменатель даёт 5760, умноженные на 2 и на 3075, то есть 35424000. Отношение равно 0,34. Это недодемпфированная петля: она звонит, перелетает канал и возвращается рывками, время установления растёт, а на управляющей линии видны те самые пилы.
Теперь пересчёт на других номиналах. Частота сравнения и коэффициент деления прежние, ёмкость 22 нФ, резистор 6,8 кОм. Произведение тока и крутизны те же 12000. Произведение коэффициента деления и ёмкости даёт 5760, умноженный на 0,000000022 Ф, то есть 0,0001267. Отношение равно 94700000, корень квадратный равен 9730 радиан в секунду, деление на 6,28 даёт около 1550 Гц. Демпфирование получается делением 81600000, то есть произведения 12000 и 6800, на 112100000, то есть на произведение 5760, 2 и 9730. Результат равен 0,73.
Сравнение показывает суть переделки. Собственная частота выросла с 490 до 1550 Гц, втрое, демпфирование поднялось с 0,34 до 0,73, в самую комфортную зону около 0,7. Петля перестала звонить, время вхождения в синхронизм сократилось с десятков миллисекунд до единиц, пилообразные колебания ушли в незаметный фон. Полоса петли при демпфировании 0,7 примерно в полтора раза шире собственной частоты, то есть около 2,3 кГц. Это десятикратный запас по отношению к частоте сравнения 25 кГц, и он не пускает импульсы насоса заряда в управляющее напряжение.
Тут же видно, почему замена варикапа без пересчёта фильтра опасна. Новый варикап поднял крутизну ГУН с 9 до 14 МГц на вольт, рост в полтора раза. Демпфирование следует за корнем квадратным из крутизны, значит подросло примерно на четверть, и старый фильтр с его 0,34 стал ещё нервнее. Петля звенела сильнее, а вместе со сбоями шины программирования складывалась полная картина неисправности.
Подстройка опорного кварца и точность сетки частот
Опорный генератор это сердце сетки частот, и его подстройка требует дисциплины. Кварц 6,4 МГц с подстроечным конденсатором позволяет сдвигать опору в небольших пределах, но крутить конденсатор на глаз расточительно. Правильный порядок такой: частотомер с известной погрешностью либо контрольный приёмник, по которому выставляется ноль биений с эталонной станцией.
Точность опоры переносится на выход в той же относительной доле. Типовой допуск кварца около 30 единиц на миллион. На 6,4 МГц это 192 Гц, и без подстройки выход уплывает на 145000 кГц, умноженные на 0,00003, то есть на 4,4 кГц, шестая часть шага сетки, уже заметно на слух. А уход на 1500 Гц, как в разобранном случае, даёт на выходе 34 кГц и полный вылет за соседний канал.
На 145 МГц каждый герц опоры превращается в 22,7 герца выхода, поэтому правду о сетке показывает верх диапазона. Отсюда практический приём: сначала опору выставляют грубо по частотомеру, затем уточняют по контрольному приёмнику на верхней частоте диапазона, где ошибка видна сильнее всего.
Есть и температурная сторона. Кварц прогревается вместе с платой, частота за первые полчаса плывёт на десятки герц, сетка уезжает вместе с ним. Поэтому станцию выставляют не сразу после включения, а после прогрева, и проверяют в двух состояниях, холодном и горячем. Разница между ними показывает, куда уходит опора и остаётся ли запас у подстроечного конденсатора.
В разобранном случае подстройка заняла немного времени. Конденсатор выставили по контрольному приёмнику, опора встала в пределах 100 Гц от номинала, и уход на выходе сократился с 34 до 2,3 кГц, потому что 145000 кГц, умноженные на отношение 100 Гц к 6,4 МГц, дают 2,3 кГц. Меньше десятой части шага сетки. Для связи достаточно, хотя для точных измерений пришлось бы ставить термостатированный кварцевый генератор.
Методика проверки петли после ремонта
После ремонта петлю проверяют не на слух, а по процедуре. Она короткая, повторяемая и ловит почти все дефекты, о которых шла речь. Порядок проверки выглядит так:
- Проверить питание микросхемы и частоту опорного генератора частотомером, выставить номинал подстроечным конденсатором после прогрева;
- Проконтролировать осциллографом линии данных, тактовых импульсов и строба, убедиться, что при включении передачи импульсы не искажаются наводками;
- Убедиться в появлении импульсов насоса заряда на выходе детектора при расстройке и в их исчезновении при захвате;
- Измерить крутизну ГУН в двух точках диапазона и сравнить с расчётной, при расхождении сильнее чем вдвое пересмотреть контур;
- Пересчитать петлевой фильтр под демпфирование около 0,7 и собственную частоту примерно на порядок ниже частоты сравнения;
- Проверить время вхождения в синхронизм после включения и чистоту управляющего напряжения на установившемся захвате.
Если все шесть пунктов сходятся, синтезатор держит канал на любом краю диапазона и после включения передатчика не уводится. Процедура занимает полчаса, а экономит часы поисков наугад и возвращённые заказчиками аппараты.
Итог у этой истории простой. Захват частоты в синтезаторе не возникает сам по себе, его держат три вещи: точная опора, правильно посчитанный фильтр и чистая шина программирования. Микросхема КФ1010ПЛ1 прощает многое, но не прощает пренебрежения к петле. Полчаса с осциллографом и частотомером возвращают станции её каналы, а мастеру уверенность, что завтра на том же канале его услышат.