Хочу построить несложный селективный вольтметр\ручной спектроанализатор 5-500 кГц

[viktor8m]

Селективный вольтметр вещь очень нужная в радиолюбительском хозяйстве, позволяет оценить уровень сигналов в определённой области частот, например, чтобы оценить уровень гармоник или шума, а если у селективного вольтметра сигнал после фильтрации подать не только на детектор уровня, но и вывести для подачи на осциллограф, то можно вырезанный диапазон и увидеть, т.е. получается практически спектроанализатор с той разницей, что у последнего выводится на экран сразу весь спектр, а для селективного вольтметра это придётся делать вручную перестройкой гетеродина (это конечно не так приятно, но когда частоты гармоник известны заранее, то получается не утомительно). Конечно звуковая плата до 90 кГц позволяет всё это делать, но а если надо выше? К примеру посмотреть 5-10 гармоник от частоты 20 кГц? И наконец в селективном вольтметре можно сделать выделение гармоник чисто аналоговыми методами, что позволяет повысить достоверность измерений по отношению к цифровым методам через математику (правда последний позволяет понизить планку шума ниже реального за счёт понижения достоверности, чего аналоговый не позволяет, поэтому для аналогового надо делать малошумящую схему). Именно аналоговый селективный вольтметр я и хочу собрать. Принцип простой (практически приёмник), входной сигнал преобразуется в ВЧ сигнал определённой частоты, получившийся сигнал фильтруется, а дальше или подаётся на детектор\осциллограф или преобразуется в более низкую частоту (для большей фильтрации и простоты измерений, особенно если надо эффективное значение, напр., для измерения шума), есть приборы и с тремя преобразованиями, всё зависит от заданного диапазона частоты по входу и минимальной полосы пропускания, мне хватает входного диапазона между 5 кГц и парой сотен кГц и полосы пропускания в 1 кГц, поэтому думаю хватит и одного преобразования. Итак блок схема получается простой, сигнал после аттенюатора и согласующего каскада с фильтрацией поступает на смеситель. Наименьшие шумы и помехи имеет балансный диодный смеситель (особенно на Шоттках) и именно такой используется в промышленных аппаратах, здесь очень важна симметрия, поэтому использую такой http://ru.farnell.com/avago-technolo...143/dp/1843077 (это готовый кольцевой смеситель на четырёх согласованных ВЧ диодах Шоттки). На смеситель надо подать от генератора синус нужной частоты (и довольно чистый для получения малых шумов) и именно он и определит измеряемую частоту (как в приёмнике), а значит он должен быть стабильным и удобным в перестройке. И вот тут удачно подойдёт недавно купленный у китайцев перестраиваемый энкодером до 5.74 МГц DDS генератор https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=66383, поэтому частоту на выходе смесителя (и соответственно фильтра) надо выбирать менее 5.74 МГц, я выбрал 4 МГц. После смесителя сигнал попадает через согласующее устройство на кварцевый полосовой фильтр, это просто несколько П-образных звеньев на дешёвых кварцах 4 МГц (кварцы последовательно, а между ними конденсаторы на землю), такой фильтр из-за высокой добротности кварцев (десятки тысяч) без проблем при отстройке +- 1 кГц обеспечивает подавление ниже -100 дБ (дополнительные преобразования позволили бы довести отстройку до 10 Гц, но меня и 1 кГц устраивает, частоты ниже 5 кГц я и обычной звуковой платой могу посмотреть до 10-ой гармоники). Всё, теперь сигнал 4 МГц можно подать или на пиковый вольтметр или на осциллограф, амплитуда (пик) этого сигнала равна амплитуде входного сигнала частотой, равной 4 МГц минус частота задающего генератора, к примеру, подаём на вход 20 кГц, генератором устанавливаем 3900 кГц, соответственно амплитуда сигнала 4 МГц после фильтра соответствует входной частоте 100 кГц, т.е. 5-ой гармонике от 20 кГц. Какие будут замечания и советы?

[Openreel]

А почему не рассматриваете прямое преобразование?

Так SDR почти оно и есть.
Есть грабля, измерение от 5кГц. Как ни крути, а придется переносить наверх.

[Teoretic]

Если сделать ФНЧ с частотой среза 100 Гц пятого порядка (это всего две катушки мотать), то при расстройке 1 кГц получится избирательность 100 дБ. Не хватит?
В принципе, частоту среза ничто не мешает еще понизить, увеличивая избирательность. Полоса пропускания 200 Гц может даже излишняя.

[viktor8m]

А почему не рассматриваете прямое преобразование? Может получиться проще, всего один преобразователь, один НЧ-фильтр.

А разве у меня не прямое преобразование с одним преобразователем? Просто выбрал получаемую частоту вверх (т.е. выше входного сигнала), Вы же предлагаете вниз до сотен Гц, вижу несколько недостатков, во-первых, подверженность частоте сети и её гармоник, а во-вторых, резко увеличиваются требования к генератору, особенно к шуму (а он на НЧ самый большой), да и сумматор видимо потребуется ключевой, а значит много помех, а фильтр на НЧ с высокой начальной крутизной не сделать, в отличие от кварцевых фильтров, АЧХ которых близка к прямоугольнику.

[Teoretic]

А разве у меня не прямое преобразование с одним преобразователем? Просто выбрал получаемую частоту вверх (т.е. выше входного сигнала), Вы же предлагаете вниз до сотен Гц,..

Ну, если придираться к терминологии, то прямое преобразование - это на частоте сигнала, у вас же - преобразование вверх, обычный супергетеродин.
Я предложил рассмотреть как вариант. Строят же любители весьма простые приемники прямого преобразования с чувствительностью доли микровольта при полосе 3 кГц. Если сузить полосу в 30 раз, получим такое же увеличение чувствительности при сохранении отношения сигнал/шум. Или можно улучшить подавление шума.
А насчет избирательности - в предыдущем моем посте дана оценка в 100 дБ / 1 кГц для простого ФНЧ, по-моему ничуть не хуже кварцев. Вот шумы цифрового синтезатора - это да, я не знаю как он там шумит на НЧ. Но эти шумы так же перенесутся вверх по частоте после преобразования, нет?
А что такое ключевой сумматор? Может, имелся в виду преобразователь?

[Openreel]

Строят же любители весьма простые приемники прямого преобразования с чувствительностью доли микровольта при полосе 3 кГц.

Да, только по входу эти приемники совсем не от 5 кГц работают.

[boatsman]

предыдущем моем посте дана оценка в 100 дБ / 1 кГц для простого ФНЧ, по-моему ничуть не хуже кварцев.

На бумаге - да, осталось все это реализовать.

[viktor8m]

Но у лестничных крутизна разных скатов разная.

Сегодня это наблюдал. Свободного времени было немного, поэтому только два кварца отобрал на одну частоту 4 МГц и проверил на них лестничный фильтр, правда конденсаторы поставил наобум без расчёта на 33 пФ, но даже такой (два кварца и два конденсатора) обеспечил подавление 36 дБ при отстройке 1 кГц в одну сторону (значит надо не менее 6 кварцев), а вот во вторую намного хуже, но родилась простая идея, у лестничного фильтра с кварцами последовательно сильная крутизна с одной стороны по частоте, а с кварцами параллельно с противоположной стороны, получается надо просто соединить последовательно (конечно не напрямую, а разделив усилителем) два вида лестничных фильтров, жалко времени не было проверить это практически.

Вопрос не самый простой, что лучше - менее качественный генератор но синуса, или таки более качественный генератор, но с активным смесителем.

Сегодня проверил на стабильность частоты генератор из первого поста, она прекрасна, проверял на режиме 1 сек. (резолюция 1 Гц), никаких изменений цифр за 10 мин. нет, даже немного грел феном, так что как ни странно, этот дешёвый генератор некачественным не назовёшь, да и основную работу там выполняет микросхема AD9832, а осциллятор там по виду качественный, трухольный.

Ну, если придираться к терминологии, то прямое преобразование - это на частоте сигнала, у вас же - преобразование вверх, обычный супергетеродин. Я предложил рассмотреть как вариант. Строят же любители весьма простые приемники прямого преобразования с чувствительностью доли микровольта при полосе 3 кГц.

Вы путаете два разных прибора, приёмник и узкополосный измеритель. У приёмника (в т.ч. с прямым преобразованием без промежуточной частоты) цель выделить из несущей частоты промодулированный сигнал, а несущая неважна (при частотной и фазовой модуляции её даже часто ограничивают, превращая практически в прямоугольник), а у измерителя именно входной сигнал и есть измеряемый сигнал, там ничего не выделяется из него, а цель лишь его отфильтровать от других сигналов\помех, не повредив информацию об его амплитуде, которую и замеряют.

[Openreel]

Сегодня проверил на стабильность частоты генератор из первого поста, она прекрасна,

Это не удивительно, да еще и с гейтом в секунду. Интересует фазовый шум, его смотреть надо.

[Teoretic]

Попробую пояснить свою иысль подробнее.

Прямое преобразование подразумевает преобразование на частоте сигнала.
То есть, если хотим настроить вольтметр, скажем, на 10 кГц, то подаем на смеситель от гетеродина 10 кГц.
Сначала допустим, что на входе смесителя имеется составляющая с частотой 10 кГц. Тогда на выходе преобразователя будет суммарная частота 20 кГц (отфильтрована ФНЧ) и разностная частота около 0 Гц (нулевые биения). Частота биений равна расстройке между гетеродином и сигналом, а амплитуда пропорциональна входному сигналу. А вообще на выходе смесителя после фильтра будут все сигналы в полосе частот, равной удвоенной частоте среза ФНЧ.
Характеристика полосы пропускания всегда симметрична относительно частоты гетеродина. Усиливать после смесителя и фильтра - любым малошумящим усилителем постоянного тока.
А потом детектировать линейным амплитудным детектором.
Получается исключительно простой селективный вольтметр.
ФНЧ пятого порядка - это, например, лестничный фильтр, две последовательных индуктивности и три параллельных конденсатора. Для выравнивания нагрузки смесителя на его выход добавляется диплексер (последовательно соединенные емкость и резистор).

[Openreel]

10 кГц, то подаем на смеситель от гетеродина 10 кГц

И занимаемся конкретным сексом с пролазом гетеродина на вход смесителя, который надо задавить аж на 100+ дб.
И в диапазоне 5-500кГц. И второй извращенный секс - качество генератора в диапазоне 5-500 кГц.

[Teoretic]

И занимаемся конкретным сексом с пролазом гетеродина на вход смесителя, который надо задавить аж на 100+ дб.
И в диапазоне 5-500кГц. И второй извращенный секс - качество генератора в диапазоне 5-500 кГц.

При частоте гетеродина выше 1 кГц несбалансированный остаток гетеродина подавится ФНЧ на 100+ дБ, как и все внеполосные продукты преобразования.
А генератор в любом случае должен быть хорошим, хоть для супергетеродина, хоть для ПП, никакой разницы.

[Openreel]

А генератор в любом случае должен быть хорошим, хоть для супергетеродина, хоть для ПП, никакой разницы.

Разница огромна, с преобразованием вверх частотный диапазон гетеродина меньше октавы, можно хорошо почистить фильтрами синтезатор.
А для прямого преобразования зачистить гетеродин одним(не переключаемым) фильтром имхо нет шансов.

При частоте гетеродина выше 1 кГц несбалансированный остаток гетеродина подавится ФНЧ на 100+ дБ,

Смеситель это трехпортовое устройство. И речь идет о пролазе с порта гетеродина на входной порт смесителя. Гетеродин работает на той же частоте, что и измерение, только вот уровень его на 120+дб выше измеряемого сигнала (1 вольт к 1 микровольт) Даже если сам смеситель пролаз не дает(такой есть в природе?), гетеродин придется дико экранировать.

---------- Сообщение добавлено 01:09 ---------- Предыдущее сообщение было 00:55 ----------

Вы путаете два разных прибора, приёмник и узкополосный измеритель.

На самом деле разница не настолько велика. У адекватного приемника все АРУ можно прямо с морды кнопками выключить. И логарифмический индикатор уровня приемного сигнала(несущей!) тож есть, S-метр называется.
Есть книга суперская по теме, называется "Панорамные приемники и анализаторы спектра", там подробно рассматривается разница между приемниками и измерителями, она не глобальна, а в нюансах.

[Teoretic]

Разница огромна, с преобразованием вверх частотный диапазон гетеродина меньше октавы, можно хорошо почистить фильтрами синтезатор.
А для прямого преобразования зачистить гетеродин одним(не переключаемым) фильтром имхо нет шансов.

Наверное, тут вы правы. Но проблемы с гетеродином вполне решаемы, к тому же он уже выбран, как я понял.

Смеситель это трехпортовое устройство. И речь идет о пролазе с порта гетеродина на входной порт смесителя. Гетеродин работает на той же частоте, что и измерение, только вот уровень его на 120+дб выше из меряемого сигнала (1 вольт к 1 микровольт) Даже если сам смеситель пролаз не дает(такой есть в природе?), гетеродин придется дико экранировать.

Не думаю, что прямо такая уж беда от пролаза гетеродина на вход. (1 вольт, конечно, не пролезет, может 1 мВ или меньше?)
Неподавленный остаток гетеродина на входе синхронно детектируется смесителем, что приводит к появлению маленькой постоянной составляющей на выходе смесителя.
Можно вообще отсечь постоянную составляющую в усилителе, например сделать нижнюю частоту среза 0.1 Гц или еще ниже. Дополнительным бонусом получаем отсутствие дрейфа по постоянному току в усилителе.

[Openreel]

Можно вообще отсечь постоянную составляющую в усилителе, например сделать нижнюю частоту среза 0.1 Гц или еще ниже.

А если еще немного допилить напильником, то получаем SDR, только совсем низкочастотный. Можно микроконтроллером современным делать ФФТ для I/Q(в комлексной форме) сигнала и получить что-то вроде анализатора спектра последовательного-параллельного действия. Но это проджект для фанатов, не простой.

---------- Сообщение добавлено 01:39 ---------- Предыдущее сообщение было 01:38 ----------

1 вольт, конечно, не пролезет, может 1 мВ или меньше?

ну да, и получаем дин диапазон 60 дб вместо 120, мелочь какая

[Teoretic]

ну да, и получаем дин диапазон 60 дб вместо 120, мелочь какая

Поясните пожалуйста, каким образом доля милливольта постоянки на выходе смесителя (или 1 мВ гетеродина на входе) уменьшает динамический диапазон на 60 дБ. Я не понимаю.

[Openreel]

доля милливольта постоянки на выходе смесителя (или 1 мВ гетеродина на входе) уменьшает динамический диапазон на 60 дБ.

Если посмотреть, что будет измерять приемник с подавлением постоянки, то получаем любопытную картину - у нас вместо одной полосы заданной ширины получается две полосы с дыркой посередине.
Привет алиас(зеркальный канал). Не думаю, что автору топика это понравится. А если постоянку не давить на выходе смесителя - получаем -60дб, это если повезет. На самом деле все еще хуже и таки придется делать I/Q и считать все в комплексном виде. Иначе сигнал сдвинутый по фазе на 90 град на входе, на выходе анулируется.

На закуску, с чего начинались настоящие приемники. Роде гений, на 8 страниц уложить такое великое количество знания.
Rhode_8_ways_to_better.djvu

[Teoretic]

Вы умолчали о том, что дырка в полосе получится очень узкая, меньше десятой доли герца, и фактически ни на что не влияет.
А вообще, конечно, параметры супергетеродина с преобразованием вверх можно сделать выше, чем у ПП.
Вопрос в том, насколько выше, и стоило ли усложнение схемы такого улучшения.

Offтопик:
За ссылочку спасибо. Очень познавательно. Материал, правда, немножко староват, за 40 лет, наверное, многое поменялось?

[viktor8m]

Не думаю, что автору топика это понравится.

Это точно, я с блок-схемой уже определился (преобразование вверх), вопрос только в конкретной реализации и спасибо всем, кто уже помог прояснить некоторые вопросы.

Есть книга суперская по теме, называется "Панорамные приемники и анализаторы спектра"

Спасибо, скачал, книга действительно полезная.

[Openreel]

Вы умолчали о том, что дырка в полосе получится очень узкая, меньше десятой доли герца, и фактически ни на что не влияет.

Мечтать не вредно. Дырка будет гораздо шире. 1 Герц минимум - время измерения иначе вырастет совсем неприлично. Фильтр после смесителя тоже крутизну имеет не бесконечную, тут одним герцем явно не обойдется. А поскольку имеем зеркалку, то все числа множим на 2. И получаем дырку хорошо если 50 Гц.

Offтопик:

За ссылочку спасибо. Очень познавательно. Материал, правда, немножко староват, за 40 лет, наверное, многое поменялось?

Поменялось конечно, после первого смесителя нынче модно ставить АЦП и бешеный DSP, весь приемник получается в цифре. Можно на лету параметры менять, топологии менять, старения нет.

Но синус в 4 раза не вырос, основы как были так и остались

[viktor8m]

Отсутствие некоторых важных компонентов заморозило воплощение этого проекта, тем более что время от времени получаю доступ к нормальной измериловке, но не всё удобно куда-то нести измерять, да и наконец приобрёл самые специфические компоненты (симметрирующие ВЧ трансформаторы и кварцы на нужные частоты), так что пора разработать окончательную схему и воплощать в жизнь. Но меня беспокоят ограничения имеющихся дома генераторов и видимо придётся делать самому более качественный ВЧ генератор. Есть три возможных вариантов реализации перестраиваемых ВЧ генераторов с высокой кратковременной стабильностью частоты, первый это прямой DDS, второй это смешение некоторой стабильной частоты от кварцевого генератора с сигналом гетеродина, в качестве которого выступает DDS генератор, а третий вариант, это смешение некоторой стабильной частоты от кварцевого генератора с сигналом гетеродина в петле PLL. Первые два способа видимо в моём случае не подойдут, т.к. имеется доступ только к DDS генераторам с 10-ти битным ЦАП, имеющие не малый уровень побочных частот и не малый фазовый шум, значит остаётся PLL, тем более, что в продаже имеются недорогие микросхемы для цифровой PLL до частот вплоть до 1 ГГц и с управлением делителя частот от микропроцессора. Генератор будет на частоты от 0.1 до 30 МГц (больше мне не надо), частоту кварцевого генератора возьму скажем 40 МГц (выше максимальной выходной частоты для лучшей фильтрации), тогда гетеродин будет с помощью петли PLL перестраиваться от 40.1 до 70 МГц, а опорная частота (равная частоте шага перестройки) будет 1 кГц. У варианта с PLL вижу два преимущества, во-первых, PLL фактически является узкополосным ПФ с частотой среза, определяемой ФНЧ петли PLL, что прекрасно чистит выходной спектр (правда у меня будет цифровая PLL, но видимо она в этом смысле работает подобно аналоговой PLL), а во-вторых, очень просто реализовать стабильную работу селективного вольтметра в качестве измерителя АЧХ если совместить одновременную перестройку петлей PLL его гетеродинов и генератора сигнала измерения, в итоге независимо от частоты измерения частоты гетеродинов селективного вольтметра будут такими, чтобы автоматически соответствовать промежуточным частотам вольтметра. Какие будут предложения и советы?