Smalband-middenfrekwent
MF-versterker/demodulator voor amateurontvangers
Een amateurontvanger voor de 2 meter-band (144 MHz) of voor de citizens-band (CB, 27 MHz) zit wel wat anders in elkaar dan een voor omroepzenders. Niet de geluidskwaliteit is in de eerste plaats bepalend voor het goed of slecht zijn van zo'n ontvanger. Het gaat veel meer om zaken als. selektiviteit, gevoeligheid en algemene toepasbaarheid: zo'n ontvanger moet vooral universeel zijn. Dit artikel beschrijft een gedeelte van zo'n ontvanger: alles wat nodig is om van een smalbandig AM- of FM-middenfrekwentsignaal te komen tot een laagfrekwentsignaal.
Onze smalband-middenfrekwent moet zorgen voor een paar verschillende dingen. Allereerst moet het van het front-end van de ontvanger afkomstige middenfrekwentsignaal zoveel mogelijk van storende signalen worden ontdaan. Alleen het "zuivere" middenfrekwentsignaal moet overblijven. Dat gebeurt met een filterschakeling. Hier is dat een schakeling die van kristallen gebruik maakt, zoals bekend een van de gemakkelijkste manieren om een goede selektiviteit te krijgen.
De filterschakeling is bedoeld voor een middenfrekwentie van 9 MHz. Als belangrijkste voordeel brengt dat met zich mee dat er gebruik kan worden gemaakt van de bekende "3d overtone"-kristallen voor 27 MHz. Die zijn gemakkelijk en, wat misschien nog wel prettiger is, voor niet al te veel geld te krijgen.
We zouden het gezuiverde 9 MHz-signaal kunnen versterken en daarna demoduleren, maar het biedt voordelen om een tussenstap te maken, en wel uit de middenfrekwentie van 9 MHz een tweede middenfrekwentie af te leiden met een veel lagere frekwentie (130 kHz). Op die manier ontstaat een zogenaamde "dubbelsuper", en die heeft twee belangrijke voordelen. Het eerste is de betere onderdrukking van een aantal spurious-signalen. Door een tweede keer mengen - mits dat plaats vindt bij een bandbreedte, vergelijkbaar met die van het filter - worden die ten dele onschadelijk gemaakt. Een betrekkelijk geringe bandbreedte wordt met LC-kringen bereikt op lage frekwenties. Een tweede voordeel van de "dubbelsuper" is dat het leeuwedeel van de versterking van het signaal nu kan gebeuren op een redelijk lage frekwentie. Dat maakt het ontwerpen van de versterkerschakelingen aanzienlijk gemakkelijker, omdat we niet bevreesd hoeven te zijn voor de bij hoge frekwenties roet in het eten gooiende "bredebandruis" en mogelijk oscilleer-neigingen van de versterker(s).
Kunnen we dan niet meteen in het front-end een middenfrekwentsignaal van 130 kHz maken? Nee, want de spiegelfrekwentie zou heel dicht in de buurt van de frekwentie van het gewenste ingangssignaal liggen en er dus moeilijk uit te filteren zijn.
Blokschema
Het blokschema van de smalbandmiddenfrekwent (figuur 1) vat de gang van zaken in de schakeling samen.
Figuur 1. Blokschema van de smalband-middenfrekwent. De opzet is die van een "dubbelsuper". De middenfrekwentie van 9 MHz wordt gemengd met een oscillatorsignaal van 8,87 MHz, en zo ontstaat een tweede middenfrekwentie van 130 kHz. Er kunnen zowel AM- als FM-signalen worden gedemoduleerd.
Het 9 MHz-signaal wordt in een met kristallen uitgevoerd netwerk gefilterd en vervolgens een weinig versterkt. In een mengschakeling (MIX) wordt het 9 MHz-signaal gekombineerd met een oscillatorsignaal van 8,87 MHz. Er ontstaan hierdoor allerlei som- en verschilfrekwenties. Het verschilsignaal van 130 kHz wordt aanzienlijk versterkt en vervolgens toegevoerd aan zowel een AM- als een FM-detektor,dieer het laagfrekwentsignaal uit detekteren.
Bij het versterken van het 130 kHz-signaal wordt ook een signaal voor de S-meter afgeleid; de uitslag van de meter is een indikatie voor de sterkte van het ontvangen signaal.
Hoewel het principe van de "dubbelsuper" eigenlijk is voorbehouden aan de betere en vooral kostbare apparatuur is bij dit ontwerp de kostprijs laag gehouden. Dat is gebeurd door voor de kristallen goedkope 27 MHz-typen te nemen en de aktieve elektronica te beperken tot twee niet al te "moeilijke" IC's en twee transistors.
9 MHz-filter
Figuur 2 toont het kristalfilter voor het van het front-end afkomstige 9 MHzmiddenfrekwentsignaal. Het is een geheel passief netwerk. Zoals al vaker in Elektuur is aangetoond is het beter om een middenfrekwentsignaal eerst grondig te filteren en daarna fors te versterken, dan om de "ouderwetse" opzet te volgen van beurtelings een versterkertrap en een filtertrap. De belangrijkste reden is dat, als je in een te vroeg stadium een "ruw" middenfrekwentsignaal versterkt, je ook allerlei ongewenste storende bestanddelen mee-versterkt. Je kunt ze er beter eerst uitfilteren, ook al verzwakt dat het gewenste signaal misschien een beetje. Dat kan immers naderhand wel weer worden versterkt.
Figuur 2. Het kristalfilter voor de middenfrekwentie van 9 MHz maakt gebruik van vier '3d overtone' kristallen voor 27 MHz.
De in- en uitgang van het kristalfilter zijn beide aangepast op de standaard hoogfrekwentimpedantie van 50 ohm. Dat gaat met behulp van twee heel eenvoudige, zelfgemaakte HF-trafootjes van enkele windingen op een ferrietkraal. De gegevens staan bij het schema. De ingangstrafo is niet selektief. Zijn funktie is de impedantie aan te passen op de volgende trafo, die wel selektief is. Deze trafo is eigenlijk een 10,7 MHz FM-middenfrekwentfilter, maar hij is door middel van kondensator C1 omgebouwd voor de hier gebruikte frekwentie. C1 staat parallel aan de in het trafootje ingebouwde kondensator. De totale kapaciteit wordt daardoor groter, en de resonantiefrekwentie lager. In verband met dit ombouwen kan er voor Trl geen ander type worden gebruikt dan aangegeven.
Het leeuwedeel van het "filterwerk" komt voor rekening van de vier kristallen X1 ... X4, alle vier 27 MHz-kristallen. Dit zijn "3d overtone"-kristallen, wat betekent dat ze bedoeld zijn om te resoneren op de derde harmonische van hun grondtoon. Maar ze kunnen net zo goed, of zelfs beter, resoneren op hun grondtoon, en die heeft een frekwentie van 9 MHz. Tussen X1 en X2, en tussen X3 en X4 is een pi-netwerk aangebracht; zo worden ongewenste impedantiesprongen voorkomen. L3 en L4 zijn gewone miniatuursmoorspoeltjes van 10 µH. Tr2 is een op dezelfde manier tot 9 MHz omgebouwde 10,7 MHz-trafo als Tri. Hier staat C9 parallel aan de in de trafo ingebouwde kondensator.
De kondensatortjes C2 en C8, die parallel staan aan respektievelijk X1 en X4 zijn van invloed op de flanksteilheid van het filter. Eventueel kunnen ze worden weggelaten. Helemaal mooi is het om ze te vervangen door trimmers waarvan de waarde kan worden ingesteld tussen 2 en 22 pF. Dan kan het filter zo worden afgeregeld dat de flanksteilheit zo hoog mogelijk is. Helaas is voor zo'n afregeling nogal wat meetapparatuur nodig, zodat meestal genoegen zal moeten worden genomen met een niet optimaal afgeregeld filter. Dat het filter dan toch nog goede prestaties levert is te zien aan de frekwentiekarakteristieken van figuur 3. Zelfs in de minst gunstige situatie (figuur 3a), als C2 en C8 weggelaten worden, is de verafdemping minstens 50 dB. Een verbetering in de zogenaamde vormfaktor treedt al op wanneer voor de kondensatoren C2 en C8 de in het schema genoemde vaste waarden worden genomen (figuur 3b). De vormfaktor (een maat voor de flanksteilheid) bedraagt dan ongeveer 3. Figuur 3c laat zien hoe het kristalfilter op zijn best werkt, als C2 en C8 vervangen zijn door optimaal afgeregelde trimmers.
Figuur 3. Deze doorlaatkurven laten zien wat het kristalfilter presteert, en hoe de prestaties afhangen van C2 en C8. De karakteristiek van figuur 3a ontstaat wanneer deze beide kondensators worden weggelaten; figuur 3b toont het effekt van het wel aanbrengen van de kondensators, en figuur 3c laat de meest ideale situatie zien: C2 en C8 zijn hier beide vervangen door optimaal afgeregelde trimmers.
Van 9 MHz naar 130 kHz
De schakeling van figuur 4 neemt het grootste gedeelte van het blokschema voor zijn rekening. Hij versterkt het 9 MHz-signaal, wekt een 8,87 MHzoscillatorsignaal op, mengt beide signalen en filtert dan de tweede middenfrekwentie van 130 kHz uit het mengsel. Dat middenfrekwentsignaal wordt ook versterkt en daarnaast wordt een signaal voor de S-meter (sterkte van het antennesignaal) afgeleid. Bovendien vindt de eigenlijke AM-detektie ook in deze schakeling plaats.
Figuur 4. Het eigenlijk voor middengolfradio's bedoelde IC TCA 440 wordt gebruikt om van de eerste middenfrekwentie (9 MHz) naar de tweede middenfrekwentie (130 kHz) te komen.
De schakeling is opgebouwd rond een IC, de TCA 440. Dit IC is eigenlijk bedoeld voor het maken van een goedkope eenchips middengolfontvanger, maar is ook heel geschikt voor ons doel.
Via een zelfgemaakt trefootje (wikkel-gegevens bij het schema) komt het 9 MHz-signaal op aansluitingen 1 en 2 van het IC. Dit zijn de ingangen van een versterker. De versterking ervan is afhankelijk van de gelijkspanning op pen 3 van het IC. We zullen straks zien waar die gelijkspanning vandaan komt. Het versterkte 9 MHz-signaal komt terecht op een vermenigvuldigschakeling, die dienst doet als mixer. Het andere ingangssignaal van de mixer is afkomstig van een oscillator, die een signaal van 8,87 MHz opwekt. Hij doet dat met behulp van kristal X5. Dat kan een 8,87 MHz-kristal zijn, maar het is ook mogelijk hiervoor, net als voor de kristallen van figuur 2, een "3d overtone"-kristal voor 26,600 MHz toe te passen.
Het signaal van een van de uitgangen van de mixer wordt gebruikt om er het tweede middenfrekwentsignaal van 130 kHz uit te betrekken. Dat wordt gedaan met behulp van trafo Tr3. Dit is, evenals de twee trafo's uit figuur 2, een "omgebouwde" trafo. Dit keer is het een 455 kHz middenfrekwenttrafo waarvan de resonantiefrekwentie met behulp van C15 omlaag is gebracht tot 130 kHz.
Het over de resonantiekring staande signaal (de sekundaire wikkeling wordt niet gebruikt) wordt toegevoerd aan een tweede versterkersektie van de TCA 440. Deze bestaat eigenlijk uit drie in serie geschakelde versterkers, en het signaal wordt dan ook flink opgepept. Omdat, vooral voor AM-detektie, het signaal niet mag worden begrensd (bij AM zit de informatie immers in de amplitude) is er een automatische versterkingsregeling (AVR) gemaakt. Deze werkt als volgt: het uitgangssignaal van de tweede versterkersektie wordt met D1 gelijkgericht en met C18 afgevlakt. Er ontstaat dan een fluktuerende gelijkspanning, die evenredig is met de amplitude van het 130 kHz-signaal. Deze gelijkspanning wordt voor drie dingen gebruikt: voor het regelen van de versterking in de eerste, 9 MHzversterkertrap, voor het regelen van de versterking in de tweede versterkertrap, en als signaal voor de S-meter M.
Het 130 kHz-signaal moet nu worden toegevoerd aan de FM-detektor. Voordat dat gebeurt wordt het eerst nog een keer gefilterd met een inmiddels op de bekende manier omgebouwde 455 kHztrafo, Tr4. Potmeter P1 is nodig om het signaal te kunnen instellen op een voor de FM-detektor goed te verwerken nivo.
Omdat voor de AVR het 130 kHz-signaal toch al gelijkgericht wordt, hebben we als het ware vanzelf al een gedetekteerd AM-signaal ter beschikking. Dit kan worden afgenomen van de katode van D1, zoals in het schema is aangegeven. Let er overigens op dat D1 een germaniumdiode is (bijvoorbeeld AA119), en geen siliciumdiode.
Het gedetekteerde AM-signaal wordt versterkt in de eentransistor versterkingstrap van figuur 5. De restanten van het 130 kHz-signaal worden eruit gefilterd met het eenvoudige RC-netwerkje R7/C21. Met potmeter P2 kan het nivo van het laagfrekwente uitgangssignaal worden geregeld.
Figuur 5. Uitgangsversterkertrapje voor het gedemoduleerde AM-signaal.
FM-detektor
Een van de beste manieren om een FM-signaal te detekteren is die met een phase locked loop (PLL). Populair gezegd komt dar erop neer dat je een spanningsgestuurde oscillator (voltage controlled oscillator, VCO) een nauwkeurige kopie laat maken van het middenfrekwentsignaal. Een fasedetektor kontroleert of de VCO dat wel goed doet en stuurt een regelspanning naar de VCO als deze zijn frekwentie moet aanpassen. Die regelspanning is het gedetekteerde FM-signaal.
Het in de FM-detektor van figuur 6 toegepaste IC bevat dan ook zo'n PLL. Via aansluiting 2 van het IC krijgt de fasedetektor het 130 kHz-signaal toegevoerd. Via de andere ingang (pen 5) komt er een ander signaal op de fasedetektor, afkomstig van de VCO. Het uitgangssignaal van de fasedetektor zorgt er via een versterker voor dat zijn beide ingangssignalen zoveel mogelijk dezelfde fase en frekwentie hebben, en is tevens het laagfrekwente uitgangssignaal. C28, R17 en C30 vormen samen het zogenaamde loopfilter (lusfilter). De dimensionering hiervan bepaalt de eigenschappen van de PLL. Omdat het 9 MHz-kristalfilter een bandbreedte heeft van ca. 10 kHz, kan er een frekwentiezwaai van zo'n 4,5 kHz worden verwerkt. De PLL werkt goed voor een frekwentiezwaai tot ca. 6 kHz, dus in de praktijk voor alle signalen die door het kristalfilter komen.
Figuur 6. De FM-detektor. Er wordt gebruik gemaakt van het principe van de phase locked loop (PLL).
Het laagfrekwente signaal wordt, evenals het gedetekteerde AM-signaal, in een eentransistortrap versterkt. Met R18 en C31 worden de 130 kHz-resten onderdrukt. Het uitgangsnivo is instelbaar met P4.
De FM-detektor werkt optimaal bij een ingangsspanning van ca. 200 mVtt. Darom is in de schakeling van figuur 4 de potmeter P1 aangebracht, waarmee het optimale signaalnivo voor de detektor kan worden ingesteld.
Bij de bouw van de FM-detektor moet erop gelet worden dat voor C26 een kondensator van goede kwaliteit wordt gekozen; dit is een van de frekwentiebepalende elementen van de VCO.
Het enige afregelpunt van de FM-detektor is de instelpotmeter P3. De afregeling gaat het gemakkelijkst door eerst P1 (figuur 4) op maximaal te zetten, zodat het ingangssignaal van de PLL zo groot mogelijk is. Het moet nu mogelijk zijn P3 zo in te stellen dat een FM-signaal gedetekteerd wordt (dat moet dan natuurlijk wel aanwezig zijn!). Meestal zal de detektie zelfs over een vrij groot gebied van het instelbereik van P3 mogelijk zijn. Zet P3 ongeveer in het midden van dat gebied, en draai P1 een beetje dicht, zodat het signaalnivo op de ingang van de detektor kleiner wordt. Het instelgebied van P3 waarover FM-detektie plaatsvindt zal nu wat kleiner zijn; zet P3 opnieuw ongeveer in het midden van dat gebied. Zo kan worden doorgegaan totdat er geen merkbare verandering in de instelling van P3 meer optreedt. Dan is P3 goed afgeregeld.