Часто в статьях встречаешь фразу: "Кварцевый фильтр легче настроить при помощи характериографов (например, X1-38, X-1-48, СК-4-59 и др.). Конечно, если они есть, то настройка фильтра проста. Но это если у вас есть соответствующий прибор, да еще и инструкция к нему. В противном случае слово "просто" быстренько превратится в противоположное ему "трудно". Поэтому в данной статье делается упор на настройку кварцевого фильтра с использованием простейших приборов.

В некоторых статьях опускают информацию о типе настраиваемого фильтра (лестничный, мостовой, монолитный), описывая общие правила настройки. Однако я пришел к выводу, что каждый из них имеет, наряду с общими, еще и свои собственные особенности.

Начнем с настройки фильтра лестничного типа (рис.1).

Рис.1

Опыт показывает, что:

Фильтр получается с лучшими параметрами, если все кварцы имеют как можно более близкие частоты последовательного резонанса (±10 Гц). Однако не стоит расстраиваться, если это условие не выполнимо, ибо неплохой фильтр получается и при разносе частот до 1 кГц ;

Подбирать кварцы лучше всего включая их в опорном генераторе того устройства, в котором предполагается эксплуатировать этот фильтр, а самый низкочастотный из них использовать непосредственно в опорном генераторе. При этом подстроечные элементы генератора не следует трогать;

Настраивать фильтр следует непосредственно в составе "родного" аппарата;

Если кварцы имеют неодинаковые частоты, их следует располагать в следующей последовательности: наиболее высокочастотный установить первым на входе, а все последующие - поочередно слева направо, по рангу, с понижением частоты;

Емкости следует применять малогабаритные, с минимальным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ) с точностью не хуже ±1,5%. Но не отчаивайтесь, если таковые не найдутся, ибо в процессе настройки их все равно придется подбирать. В большинстве случаев в процессе настройки бывает заменено до 90% емкостей на другие (хотя и близкие) номиналы;

Кварцы лучше использовать фильтровые (взятые, например, из разобранных заводских фильтров).

Так, из четырех фильтров на частоту 10,7 МГц (типа ФП2П-325-10700М-15) можно собрать четыре лестничных восьмикристальных фильтра (в этих фильтрах имеется по четыре пары кварцев с одинаковыми частотами) с разными, но близкими к 10,7 МГц частотами. Обычно так и поступают несколько радиолюбителей (как правило, 4 человека), имеющих по одному фильтру. Самый опытный из них подбирает одинаковые по частоте четыре комплекта кварцев, затем кварцы с минимальным. разбросом оставляет себе, а остальные отдает обратно друзьям (или наоборот?!). С несколько меньшим успехом можно использовать и генераторные кварцы.

В домашних условиях кварцевый фильтр можно настроить тремя способами.

В первом случае следует использовать (кроме настраиваемого аппарата) в качестве вспомогательного прибора другой трансивер с цифровой шкалой, во втором случае - ГСС (генератор стандартных сигналов) и частотомер (с предельной частотой, превышающей хотя бы низшую частоту вашего настраиваемого устройства, например 1,9 МГц). Частотомером измеряют либо частоту ГСС, либо частоту ГПД исследуемого аппарата.

В третьем случае используется кварцевый гетеродин на одну из рабочих частот (либо ГСС, либо другой трансивер без цифровой шкалы), и обязательно наличие цифровой шкалы в настраиваемом аппарате.

Во всех трех случаях на вход настраиваемого аппарата подают ВЧ-сигнал рабочего диапазона. В первых двух случаях медленно изменяют подаваемую частоту в полосе прозрачности кварцевого фильтра, снимая при этом показания S-метра в относительных единицах, и через каждые 200 Гц записывают их в таблицу. Затем, согласно таблице, строят графики (АЧХ). По вертикали откладывают показания S-метра, а по горизонтали - частоту. Соединив проставленные на графике точки интерполяционной (усредняющей) линией, получают АЧХ - амплитудно-частотную характеристику новоиспеченного фильтра.

В третьем случае все проделывают аналогично, только перестраивают по частоте сам настраиваемый аппарат, снимая показания непосредственно с его цифровой шкалы и S-метра одновременно.

При этом "новоиспеченный" фильтр, как правило, имеет:

Иную полосу, чем требуется;

Неравномерность в верхней части АЧХ;

Пологий (а иногда с выбросами) нижний скат АЧХ.

В дальнейшем настройка фильтра ведется по трем вышеуказанным направлениям в порядке очередности.

На первом этапе настройки (грубая настройка) следует получить полосу пропускания фильтра до 2,4 кГц путем поочередной замены емкостей, начиная от входа фильтра, и снятия при этом АЧХ. При этом следует иметь в виду следующее:

Если параллельно кварцам (особенно крайним) установить дополнительные емкости и увеличивать их номинал (до определенного предела), то ширина полосы пропускания фильтра будет уменьшаться. Аналогичный эффект будет наблюдаться и при увеличении емкостей конденсаторов, идущих на корпус. При уменьшении величин этих емкостей будет наблюдаться обратный эффект. Данное свойство используют для сужения полосы пропускания кварцевого фильтра в телеграфном режиме. Таким образом полосу пропускания можно уменьшить до 0,8 кГц. При дальнейшем сужении полосы резко увеличивается затухание фильтра в полосе прозрачности (для получения малого затухания в CW-фильтре следует использовать резонаторы с добротностью, по крайней мере на порядок превышающей добротность фильтра);

Величина "горбов" и провалов в верхней части АЧХ (линейность характеристики) будет зависеть не только от величины подбираемых емкостей, но и от величины сопротивления нагрузочных резисторов, установленных на входе и выходе фильтра. При уменьшении их сопроитвления линейность характеристики улучшается, но увеличивается затухание в полосе пропускания фильтра;

При невозможности получения достаточной крутизны нижнего ската, следует параллельно нагрузочным резисторам установить кварцы, аналогичные используемым в фильтре, при этом из всех имеющихся кварцев следует выбрать наиболее низкочастотный или понизить его частоту путем последовательного включения индуктивности. Подбором количества витков этой индуктивности можно менять крутизну нижнего ската;

Настройку фильтра нужно повторить несколько раз. Если на последнем этапе настройки не удается получить приемлемей АЧХ, необходимо попробовать подогнать частоту последовательного резонанса отдельных кварцев. Для этого последовательно кварцу устанавливают конденсатор, и подборкой этого конденсатора добиваются генерации на частоте остальных кварцев. Если это не поможет (а это может быть при малом разносе между частотами параллельного и последовательного резонансов кварца), следует заменить кварцы. Кварцы в фильтре следует располагать в цепочку, тщательно экранируя вход от выхода. На рис.2 показаны АЧХ КФ приемника "TURBO-TEST", снятые при различных значениях емкостей конденсаторов. -

Рис.2- Для большей наглядности значения частоты сняты без соблюдения принимаемой боковой полосы и действительного значения ПЧ. На рис.3 показаны АЧХ окончательного варианта настройки фильтра. -

Рис.3

Теперь несколько практических советов по настройке мостового кварцевого фильтра. Такой фильтр показан на рис.4. Катушки L1 и L2 содержат 2х10 витков провода диаметром 0,31 мм, в качестве сердечников использованы ферритовые кольца от фильтра ФП2А-325-10,700 М-15. Ширина полосы пропускания фильтра - 2,6 кГц.

Рис.4

Если у вас изготовлен фильтр на низкие частоты (2...6 МГц), он обычно получается более узкополосным, чем требуется, а если фильтр на высокие частоты (8...10 МГц) - слишком широкополосным. В первом случае следует расширить полосу пропускания путем подключения к верхним, либо к нижним (рис.4) кварцам катушек индуктивности, которые следует подобрать экспериментально. Во втором случае, чтобы уменьшить полосу пропускания, необходимо параллельно резонаторам подсоединить подстроечные конденсаторы (аналогично катушкам). Кварцы в фильтре нужно подобрать с точностью до 50 Гц (частота последовательного резонанса), причем частоты всех верхних резонаторов должны быть одинаковыми и отличаться от нижних (также одинаковых) на 2...3 кГц.

Если в наличии имеются только кварцы на одинаковые частоты, можно изменить частоту кварцев путем стирания посеребренного слоя с кристалла (повысить частоту) или путем заштриховки карандашом (понизить). Но практика показывает, что стабильность параметров такого фильтра с течением времени оставляет желать лучшего.

Более устойчивые результаты дает подгонка частоты путем последовательного включения с кварцем подстроечного конденсатора. После настройки конденсатор желательно заменить на постоянную емкость такой же величины.

При большой ширине полосы пропускания фильтра, в середине его АЧХ может появиться провал (затухание). Следует сказать, что его глубина в значительной мере зависит от сопротивления резисторов R1 и R2. Их величина может быть от сотен Ом (при полосе 3 кГц) на частотах 8...10 МГц до нескольких килоом на более низких частотах и при меньшей полосе пропускания фильтра. При изготовлении мостового фильтра следует большое внимание уделить симметричности его плеч, а также обмоток входящих в него трансформаторов, ну и, конечно, тщательной экранировке входа от выхода. Более подробно о мостовых фильтрах можно прочитать в.

Литература

1. Гончаренко И. Лестничные фильтры на неодинаковых резонаторах. - Радио, 1992, №1, С. 18.
2. Бунин С.Г, ЯйленкоЛ.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - К.: Техника, 1984, С.21...25.

Во время постройки приемника для любительской связи с двойным преобразованием потребовалось подобрать и посмотреть реальную АЧХ фильтра ПЧ, убедиться, что она в пределах 2.5-2.8кГц, необходимых для комфортного приема SSB станций. Поскольку у меня нет практически никакого измерительного оборудования, пришлось использовать старого друга , сделанного на основе RTL SDR.

В общем, это оказалось делом двух минут. SDR приемник выполняет роль анализатора спектра. По-хорошему надо было собрать генератор шума, но в промзоне нет лучшего генератора шума, чем сам эфир. Так и сделал, на вход фильтра подключил антенну (активная полноразмерная рамка 40 метрового диапазона), выход подключил к конвертеру. Из-за достаточно высокого КУ антенного усилителя эфир выполнил роль источника шума, и SDR приемник показал реальную АЧХ фильтра. не смотря на то, что по картинке подавление за полосой пропускания всего 40db, реальное подавление значительно выше из-за того, что уровня шума эфира все же недостаточно для оценки динамических характеристик, но форму и ширину АЧХ оценить вполне можно.

К слову, о фильтре...

Простой кварцевый фильтр промежуточной частоты

Это т.н. лестничный фильтр, в котором использованы ширпотребовские кварцевые резонаторы. В моем случае это резонаторы на 10МГц. Из-за низкой цены наших магазинах их продают по 5 штук, этого комплекта как раз хватит на приемник: 4 штуки пойдут на фильтр ПЧ, и еще один будет использован во втором гетеродине.

В моем случае CS1 = 33пф, Cp1,Cp2 = 62пф. Все кварцы — 10МГц. Итоговая полоса — 2.5-2.8кГц в зависимости от того, по какому уровню оценивать.

Подбор емкостей был выполнен при подключенном трехсекционном конденсаторе, 3х12-495пФ. Вращением добиваемся необходимой ширины АЧХ, при этом изменение полосы в реальном времени видно на экране компьютера, у меня она менялась от 5-6кГц до 200Гц, при этом более или менее ровная АЧХ была в пределах 1-3кГц, можно было выбрать любую полосу. Также можно легко реализовать переключение полосы, например, 1.8, 2.5, 3.3кГц. Кварцы можно использовать практически любые, исходя из необходимой величины ПЧ, которая может зависеть от возможностей гетеродина, емкости при этом придется подбирать экспериментальным путем.

Кварцевые фильтры «Десна»

Восьмикристальный кварцевый фильтр «Десна». Собран, настроен, без корпуса (экранированной коробки). Кварцевый фильтр на частоту 8,865 МГц. Фильтр собран на печатной плате 75х19 мм. В комплект входят 2 опорных кварца (SSB,CW). Коэффициент прямоугольности по уровням 6 и 60 дБ – 1.5; затухание за полосой пропускания более 80 дБ; неравномерность в полосе пропускания не более 3 дБ; полоса пропускания по уровню 6 дБ – 2,4 кГц; Rвх и Rвых. от 200 до 280 Ом (указано в паспорте). Возможно изготовление нескольких КФ на одну частоту с разбросом не более 20 Гц.

Четырехкристальный кварцевый фильтр «Десна». Собран, настроен, без корпуса (экранированной коробки). Кварцевый фильтр на частоту 8,865 МГц, К.п. 2,1; полоса пропускания 2,4 КГц. В комплект входят 2 опорных кварца (SSB,CW). Фильтр собран на печатной плате 35х19 мм. Возможно изготовление нескольких КФ на одну частоту с разбросом не более 20 Гц.

Четырехкристальный (подчисточный) кварцевый фильтр «Десна». Собран, настроен, без корпуса (экранированной коробки). Изготавливается на частоту основного КФ. Возможность изменения полосы от 2,7 до 0,7 кГц. Фильтр выполняется на печатной плате 30х15 мм. В комплект входят 3 варикапа КВ-127.

Набор радиолюбителя «Десна»

Набор «Десна» предназначен для изготовления кварцевых фильтров: восьмикристального основной селекции и четырехкристального подчисточного с изменяемой полосой пропускания (0,7 – 2,7кГц) для устройств с одним преобразованием частоты, используемых в любительской радиосвязи.

Для изготовления лестничных кварцевых фильтров используются одинаковые кварцевые резонаторы от телевизионных PAL/SECAM приставок. Как показали измерения, указанные кварцы имеют высокую добротность, резонансный промежуток составляет около 12 - 15 кГц. Изготовленный восьмикристальный кварцевый фильтр из таких резонаторов имеет следующие параметры:

коэффициент прямоугольности по уровням 6 и 60 дБ ~ 1.6;

затухание за полосой пропускания более 80 дБ;

неравномерность в полосе пропускания – 1.5 - 2 дБ;

полоса пропускания по уровню 6 дБ – 2.4  0,15 КГц;

входное и выходное сопротивление - 20210 Ом.

В состав набора входит:

подобранных кварцевых резонаторов « NEW » (С = 5 Пф) – 12 шт.;

кварцевые резонаторы опорных генераторов (обозначены – Г) – 2 шт.

Конденсатор КМ-12-15пФ – 2 шт. Конденсатор КМ-91пФ – 2 шт.

Конденсатор КМ-39пФ – 2 шт. Конденсатор КМ-110пФ – 2 шт.

Конденсатор КМ-47пФ – 2 шт. Конденсатор КМ-120пФ – 2 шт.

Конденсатор КМ-56пФ – 2 шт. Печатная плата – 2 шт.

Варикап КВ-127А (Б) – 3 шт.

* Номиналы конденсаторов даны для кварцевых резонаторов только данного типа «NEW».

П
ринципиальные схемы КФ и ПКФ:

С1,С7-39пФ, С2,С6-12-15пФ, С3,С5-47пФ, С4-91пФ, С8,С11-120пФ, С9,С10-110пФ. С1,С3-56пФ, С2-91пФ.

Фильтры выполняются на печатных платах. По одному из выводов (обозначенных *) крайних резонаторов, а в ПКФ и всех четырех, на платах не обрезать, они будут - вход / выход КФ и ПКФ, а так же для подключения дополнительных конденсаторов в ПКФ.

Схема включения четырехкристального подчисточного фильтра

При реализации частотных фильтров необходимо учитывать особенности их применения. Ранее мы уже рассмотрели, что активные фильтры (чаще всего ) удобно применять для реализации относительно низкочастотных фильтров. удобно применять в диапазоне частот от сотен килогерц до сотен мегагерц. Эти реализации фильтров достаточно удобны при изготовлении и в ряде случаев могут перестраиваться по частоте. Однако они обладают малой стабильностью параметров.

Значение сопротивления резисторов в фильтре не является постоянным. Оно меняется в зависимости от температуры, влажности или при старении элементов. То же самое можно сказать и про значение емкости конденсатора. В результате меняются частоты настройки полюсов фильтра и их добротности. Если есть нули коэффициента передачи фильтра, то их частоты настройки тоже меняются. В результате этих изменений фильтр меняет свою . Про такой фильтр говорят, что он "разваливается"

Подобная ситуация происходит и с пассивными LC фильтрами. Правда в LC фильтрах зависимость частоты полюса или нуля меньше зависит от значения индуктивности и емкости. Эта зависимость пропорциональна корню квадратному в отличие от линейной зависимости в RC схемах. Поэтому LC схемы обладают большей стабильностью параметров (приблизительно 10 −3).

При применении некоторых мер (таких как применение конденсаторов с положительным и отрицательным ТКЕ, термостабилизация) стабильность параметров описанных фильтров можно улучшить на порядок. Тем не менее при создании современно аппаратуры этого недостаточно. Поэтому, начиная с 40-х годов XX века велись поиски более стабильных решений.

В процессе исследований выяснили, что механические колебания, особенно в вакууме обладают меньшими потерями. Были разработаны фильтры на музыкальных камертонах, струнах. Механические колебания возбуждались, а затем снимались катушками индуктивности при помощи магнитного поля. Однако данные конструкции оказались дорогими и громоздкими.

Затем преобразование электрической энергии в механические колебания стали делать при помощи магнитострикционного и пьезо эффектов. Это позволило снизить габариты и стоимость фильтров. В результате исследований выяснили, что наибольшей стабильностью частоты колебаний обладают пластинки кварцевых кристаллов. Кроме того, они обладают пьезоэффектом. В результате к настоящему времени кварцевые фильтры являются самым распространенным видом высококачественных фильтров. Внутренняя конструкция и внешний вид кварцевого резонатора приведены на рисунке 1.

Одиночные кварцевые резонаторы редко используются в кварцевых фильтрах. Такое решение используется обычно радиолюбителями. В настоящее время намного выгодней купить готовый кварцевый фильтр. Тем более, что на рынке обычно предлагаются фильтры на наиболее распространенные промежуточные частоты. Фирмы-производители кварцевых фильтров для сокращения габаритов используют другое решение. На одной кварцевой пластине напыляется две пары электродов, которые образуют два резонатора, связанные между собой акустически. Внешний вид кварцевой пластинки с подобной конструкцией и чертеж корпуса, куда она размещается приведен на рисунке 2.

Подобное решение получило название кварцевой двойки. Простейший кварцевый фильтр состоит из одной двойки. Её условно-графическое обозначение приведено на рисунке 3.

Кварцевая двойка по электрическим параметрам эквивалентна схеме полосового фильтра с двумя связанными контурами, приведенной на рисунке 4.

Отличие заключается в достижимой добротности контуров, и, следовательно, полосе пропускания фильтра. Выигрыш особенно заметен на высоких частотах (десятки мегагерц). Кварцевые фильтры четвертого порядка выполняются на двух двойках, связанных между собой при помощи конденсатора. Вход и выход этих двоек уже не эквивалентен, поэтому обозначается точкой. Схема данного фильтра приведена на рисунке 5.

Фильтры L1C1 и L2C3 как обычно предназначены для трансформации входного и выходного сопротивления и приведения их к стандартному значению. Подобным же образом строятся кварцевые фильтры восьмого порядка. Для их реализации используют четыре кварцевых двойки, но в отличие от предыдущего варианта фильтр выполняется в одном корпусе. Принципиальная схема подобного фильтра приведена на рисунке 6.

Внутреннюю конструкцию кварцевого фильтра восьмого порядка можно изучить по фотографии фильтра со снятой крышкой, которая приведена на рисунке 7.

На фотографии четко просматриваются четыре кварцевых двойки и три конденсатора поверхностного монтажа (SMD). Подобная конструкция используется во всех современных фильтрах, как проникающего, так и поверхностного монтажа. Ее применяют как отечественные, так и зарубежные производители кварцевых фильтров. Из отечественных производителей можно назвать ОАО "Морион", ООО НПП "Метеор-Курс" или группу предприятий Пьезо. В списке литературы приведены некоторые из зарубежных производителей кварцевых фильтров. Следует заметить, что приведенная на рисунке 7 конструкция легко реализуется и в корпусах поверхностного монтажа (SMD).

Как мы видим, сейчас нет проблем купить готовый кварцевый фильтр с минимальными размерами и по приемлемой цене. Их можно использовать для проектирования высококачественных приемников, передатчиков трансиверов или других видов радиооборудования. Для того, чтобы легче ориентироваться в типах предлагаемых на рынке кварцевых фильтров, приведем график типовых зависимостей амплитудно-частотной характеристики от числа резонаторов (полюсов), приведенную фирмой SHENZHEN CRYSTAL TECHNOLOGY INDUSTRIAL

Литература:

Вместе со статьёй "Кварцевые фильтры" читают:

http://сайт/Sxemoteh/filtr/SAW/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/piezo/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/Ceramic/

http://сайт/Sxemoteh/filtr/Prototip/