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使用施密特觸發RC振盪器實現無線電發射機電路構建

2020年11月19日 14:38 次閲讀
作者:GiovanniDiMaria趙明燦編譯

有時,發送小功率無線電信號創建信標,將信號載波發送到附近的接收機,以QRP(小功率)或QRPP(極小功率)模式進行發送等等非常有用。本文所示的電路很容易構建,可以正常工作。它不使用任何電感器晶體,而是其頻率由電阻器電容器確定。電路的核心是74HC14IC。

如何發送無線電信號

有許多發送信號載波的方法。如果信號是週期性的高頻信號,那麼它就可以離開天線並通過空間傳播,這是產生載波信號的要求。為了產生週期性的交替信號,就需要有振盪器電路,它可以用不同的電子元器件晶體管變壓器、IC等)構建。

擬定的電路

本文所示的電路非常簡單,100%可以工作。圖1給出了振盪器的一般原理圖,它使用一個邏輯非門74HC14,這是個使用數字施密特觸發反相器的施密特觸發RC振盪器。

施密特數字觸發器具有內置的遲滯(約2V),閾值電壓為VT+(3.0V)和VT-(1.2V)。R1與電路連接構成正反饋環路而產生振盪。當Vc小於VT-時,Vo變高並開始通過R1(返回)對電容器C1充電。當Vc超過閾值電壓VT+時,Vo變低,C1通過R1開始放電。如果Vc超過閾值電壓VT-,則又會重複上述步驟,這樣就產生了振盪輸出。理想情況下,使用這種配置,可以獲得大約30MHz的最大頻率。

圖1:振盪器原理圖及其瞬態圖。

電氣原理圖

發射機的電路圖非常簡單(見圖2),它由三個有源器件組成:數字非門74HC14(其他型號不適用)和兩個NPN晶體管。

圖2:發射機的完整原理圖。

首先來研究下由第一個觸發反相器所代表的電路的第一部分。在此,輸出信號通過兩個電阻器R1和X14進行反饋,後者是一個電位器,可以用它來改變振盪頻率。輸入端口通過33pF的電容器C1與C4並聯接地,後者為50pF或更大的可變電容器,這樣就也可以通過調整它來改變振盪頻率。因此,X14電位器和可變電容器C4都可以用來改變振盪器的工作條件。

第二級是個緩衝分離器,由X17數字非門表示。它將信號分離並進行整形,其輸出通過負載R2(1,000Ω電阻)接地。數字端口的電源電壓為5V,最終輸出也將為5V。

第一個晶體管Q2是常用的BC546,它通過共集電極配置將電壓電平從5V升高到幾乎12V。晶體管Q2的集電極上會出現和X17幾乎相同的波形,但其相位將改變180°。

第二個晶體管Q3具有分離前一級(緩衝器)的功能,並將阻抗降低到75Ω,從而更適合於天線。這個配置稱為“射極跟隨器”,它將信號與前一級分離。

最終,信號通過470pF的電容器C6引到天線。使用這種配置,理論功率約為100mW,但實際上更低。如果天線的阻抗為75Ω(偶極子),則可以嘗試去掉R3。也可以嘗試從原理圖中去掉C6,而用短線將其替換。

在圖3中,可以看到數字非門74HC14和NPN晶體管BC546的引腳排列。

圖3:器件的引腳排列。

觀察電路關鍵點處的信號圖,會非常有趣並且有用。圖4對下述幾個節點提供了信號曲線:

第一個邏輯反相器X16的輸出處的信號曲線(綠色);

第二個邏輯反相器X17的輸出處的信號曲線(青色);

第一個晶體管Q2的集電極上的信號曲線(紅色);

第二個晶體管Q3的發射極上的信號曲線(黃色)。

圖4:電路四個關鍵點處的信號曲線。

電子元器件

下面是這個項目中所使用的電子元器件的列表。它們不是關鍵元器件,可以在任何電子產品商店找到。

•R3:電阻75Ω、3W;

•R1、R2、R5:電阻1kΩ;

•R4:電阻100Ω;

•X14:電位器或微調器330Ω;

•C1:電容器33pF;

•C4:可變電容器50pF;

•C6:電容470pF;

•C7、C8:電容器100nF;

•Q2、Q3:NPN晶體管BC546;

•X17,X16:74HC14六路施密特觸發反相器IC;

•X18:7805;

•V1:電池12V。

PCB

可以在麪包板上或者用PCB構建電路。佈局非常簡單,但必須遵守PCB的基本規則。在圖5中,可以看到PCB走線和元器件的佈置佈局。

圖5:PCB和元器件佈局。

圖6顯示了電路的三維重建。創建三維圖片是種明智的方法,它可以提供所用元器件空間的圖像,藉此可以避免許多設計錯誤並節省大量時間。

圖6:電路的三維渲染。

天線

可以使用長電線作為天線,但如果想要提高發射機的性能,則可以創建一個調諧天線,例如偶極子天線(見圖7),在這方面有很多文獻可以參考。最簡單的偶極子是水平天線,最常見的偶極子是半波長偶極子。基本的“半波”偶極子本身非常簡單,它由長度為半個波長的輻射元件組成,並在中心饋電。創建一個簡單的半波偶極子非常容易,只需使用一定長度的電線即可。計算天線長度的公式為:

147/(頻率,單位:MHz)

這樣就得出偶極子的總長度(單位:m)。例如,要製作一個7MHz的偶極子,可以計算出:

147/7=21m

因此,偶極子的每個元件應為10.50m。

圖7:偶極子示例。

在圖8中,可以看到採用兩個10.50m元件的通用偶極子的性能。這裏可以看到:

該偶極子的圖片;

駐波比(SWR)繪圖(天線諧振頻率的最小值);

偶極子的輻射圖;

偶極子的三維輻射圖。

圖8:偶極子的性能。

傳播測試

當電路完成並將元器件安裝到PCB上後,就可以打開發射機。使用無線電接收機,就可以以大約7MHz的頻率“聽到”設備的擺動。顯然,必須使用RX來檢測這個頻率,然後試着遠離接收機來檢查信號。傳輸距離還取決於無線電接收機的靈敏度。載波信號不是完美的正弦波,而是傳輸當中有很多諧波(見圖9)。可以添加一個低通濾波器,衰減高頻中不想要的信號。在電磁波傳播的情況下,信號可以到達很遠的地方。

圖9:具有諧波波形的信號載波的頻譜圖。

總結

本文所示的原理圖是構建功能更強大的發射機的基礎。所有TX均基於小功率振盪器,功率更大的電路則跟隨其後。不能使用74HC14的替代IC(只有74HC14非常相似)。

該電路僅生成信號載波,其傳輸未經過調製。載波的頻率在相位、週期和幅度上固定。頻率還取決於電源電壓——要使用固定電壓,例如變壓器。可以修改元件的值來更改電路的行為或頻率。也可以使用這個電路以摩爾斯電碼傳輸,只需要一個大按鈕即可啓用或禁用發射機。或者,該電路可以連接到MCU,而自動執行生成摩爾斯電碼的過程。

也可以使用該設備以連續波(CW)模式進行傳輸,在這種情況下,僅當按鍵時才發射載波。儘管在某些領域,摩爾斯電碼正在剝離,但由於其出色的信號識別功能可以在相同的傳播條件下實現其他方法所通常無法實現的連接,業餘無線電愛好者仍舊在所有頻帶上使用它。

互聯網正越來越掩蓋掉通過無線電波進行通信的美麗,而如果電子愛好者能重新設計發送和接收電路,那將是很好的選擇。
編輯:hfy

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選擇變頻器與電機的電纜長度需要考慮的因素

變頻器輸出的電壓波形只是類似於正弦波,而絕非真正的正弦波,其波形中含有大量的諧波成分。 眾所周知高次....
發表於 2020-11-02 11:37 278次閲讀
選擇變頻器與電機的電纜長度需要考慮的因素

Digi-Key Electronics宣佈與Truphone達成合作

    全球電子元器件分銷商 Digi-Key Electronics 宣佈與 Truphone 達成合作,為世界各地的製造商提供蜂...
發表於 2020-11-02 08:04 101次閲讀
Digi-Key Electronics宣佈與Truphone達成合作

各種形式的濾波電路分析

根據以上的分析,由於單向脈動性直流電壓可分解成交流和直流兩部分。在電源電路的濾波電路中,利用電容器的....
發表於 2020-11-01 10:45 292次閲讀
各種形式的濾波電路分析

MOS的概念、工作原理、分類以及相關應用詳解

Hi,大家好。歡迎來到我們【丹陽到香港快遞】系列文章,本系列會針對半導體重要且基礎的概念做一些科普,....
發表於 2020-10-30 12:06 729次閲讀
MOS的概念、工作原理、分類以及相關應用詳解

一文詳解無直流偏壓的電感器設計

分析無直流偏壓的電感器設計
發表於 2020-10-30 10:49 0次閲讀
一文詳解無直流偏壓的電感器設計

CS5095應用特性

12V供電是很多元器件或者很多電子產品標準的電源。便攜式電子產品也不例外,比如對馬達轉速要求更高的便攜式户外榨汁...
發表於 2020-10-29 06:01 0次閲讀
CS5095應用特性

科普:帶你看懂電感的三個電流

電感電流應該是電感最重要的參數了,電路設計必然會關注這個參數。然而,查看眾多的電感規格書手冊,有時也會把人搞懵...
發表於 2020-10-19 09:20 368次閲讀
科普:帶你看懂電感的三個電流

無線電參採集器技

發表於 2020-10-14 16:13 202次閲讀
無線電參採集器技

個人整理的嵌入式新手學習路線,新手可以參考着來

1、《C語言》第二版 譚浩強 ; 《C程序設計語言》第二版 徐寶文譯 機械工業出版社 你能區分開指針數組和數組指針嗎...
發表於 2020-10-10 11:07 101次閲讀
個人整理的嵌入式新手學習路線,新手可以參考着來

器件使用小技巧:功率二極管用作半波整流器

在前面的教程中,我們看到半導體信號二極管只會在一個方向上從陽極到陰極(正向)傳導電流,而不會在反向上傳導電流,...
發表於 2020-09-30 09:57 308次閲讀
器件使用小技巧:功率二極管用作半波整流器