採用施密特觸發反相器的簡單無線電發射器

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb

有時,發送低功率無線電訊號創建信標(beacon),將訊號載波發送到附近的接收器,以低功率(QRP)或極低功率(QRPP)模式進行發送等非常有用。本文所示的電路很容易建構,可以正常工作,且它不使用任何電感或電晶體,而是其頻率由電阻和電容確定…

有時,發送低功率無線電訊號創建信標(beacon),將訊號載波發送到附近的接收器,以低功率(QRP)或極低功率(QRPP)模式進行發送等非常有用。本文所示的電路很容易建構,可以正常工作,且它不使用任何電感或電晶體,而是其頻率由電阻和電容確定,電路的核心是74HC14 IC。

如何發送無線電訊號

有許多發送訊號載波的方法。如果訊號是週期性的高頻訊號,那麼它就可以離開天線並透過空間傳播,這是產生載波訊號的要求。為了產生週期性的交替訊號,就需要有振盪器電路,它可以用不同的電子元件(如電晶體、變壓器、IC等)建構。

擬定的電路

本文所示的電路非常簡單,100%可以工作。圖1為振盪器的一般原理圖,它使用一個邏輯反閘74HC14,這是個使用數位施密特(Schmitt)觸發反相器的施密特觸發RC振盪器。

圖1 振盪器原理圖及其瞬態圖。

施密特數位觸發器具有內建的遲滯(約2V),閾值電壓為VT+ (3.0V)和VT- (1.2V)。R1與電路連接構成正回饋迴路而產生振盪,當Vc小於VT-時,Vo變高並開始透過R1(返回)對電容C1充電;當Vc超過閾值電壓VT+時,Vo變低,C1透過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。

電氣原理圖

發射器的電路圖非常簡單(圖2),它由三個主動元件組成:數位反閘74HC14 (其他型號不適用)和兩個NPN電晶體。

圖2 發射器的完整原理圖。

首先研究由第一個觸發反相器所代表的電路第一部分。在此,輸出訊號透過兩個電阻R1和X14進行回饋,後者是一個電位器,可以用它來改變振盪頻率。輸入埠透過33pF的電容C1與C4並聯接地,後者為50pF或更大的可變電容,這樣就可以利用調整它來改變振盪頻率。因此,X14電位器和可變電容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數位反閘表示。它將訊號分離並進行整形,其輸出透過負載R2 (1,000Ω電阻)接地。數位埠的電源電壓為5V,最終輸出也將為5V。

第一個電晶體Q2是常用的BC546,它利用共集電極配置將電壓電平從5V升高到幾乎12V。電晶體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°。

第二個電晶體Q3具有分離前一級(緩衝器)的功能,並將阻抗降低到75Ω,從而更適用於天線。這個配置稱為「射極隨動器」(emitter follower,亦稱為射極隨耦器),它將訊號與前一級分離。

最終,訊號透過470pF的電容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,可以看到數位反閘74HC14和NPN電晶體BC546的引腳排列。

圖3 元件的引腳排列。

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

  • 第一個邏輯反相器X16的輸出處的訊號曲線(綠色);
  • 第二個邏輯反相器X17的輸出處的訊號曲線(藍色);
  • 第一個電晶體Q2的集電極上的訊號曲線(紅色);
  • 第二個電晶體Q3的發射極上的訊號曲線(黃色)。

圖4 電路四個關鍵點處的訊號曲線。

電子元件

以下是這個專案中所使用的電子元件的清單。它們不是關鍵元件,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33pF;
  • C4:可變電容50pF;
  • C6:電容470pF;
  • C7、C8:電容100nF;
  • Q2、Q3:NPN電晶體BC546;
  • X17、X16:74HC14六路施密特觸發反相器IC;
  • X18:7805;
  • V1:電池12V。

PCB

可以在麵包板上或者用PCB建構電路。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走線和元件的佈局。

圖5 PCB和元件佈局。

圖6顯示了電路的3D重建。創建3D圖片是種明智的方法,它可以提供所用元件空間的影像,借此可以避免許多設計錯誤並節省大量時間。

圖6 電路的3D渲染。

天線

可以使用長電線作為天線,但如果想要提高發射器的性能,則可以創建一個調諧天線,例如偶極子天線(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,這裡可以看到:

  • 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3D輻射圖。

圖8 偶極子的性能。

傳播測試

當電路完成並將元件安裝到PCB上後,就可以打開發射器。使用無線電接收器,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,然後試著遠離接收器來檢查訊號,傳輸距離還取決於無線電接收器的靈敏度。載波訊號不是完美的正弦波,而是傳輸當中有很多諧波(圖9)。可以添加一個低通濾波器,衰減高頻中不想要的訊號,在電磁波傳播的情況下,訊號可以到達很遠的地方。

圖9 具有諧波波形的訊號載波的頻譜圖。

總結

本文所示的原理圖是建構功能更強大發射器的基礎。所有TX均基於低功率振盪器,功率更大的電路則跟隨其後,但不能使用74HC14的替代IC (只有74HC14非常相似)。

該電路僅生成訊號載波,其傳輸未經過調變。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斯電碼傳輸,只需要一個大按鈕即可啟用或禁用發射器。或者,該電路可以連接到MCU,而自動執行生成摩斯電碼的過程。

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,摩斯電碼正在剝離,但由於其出色的訊號辨識功能可以在相同的傳播條件下實現其他方法通常無法實現的連接,業餘無線電愛好者仍舊在所有頻段上使用它。

網際網路正越來越掩蓋掉透過無線電波進行通訊的美麗。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。

(參考原文:A Simple Radio Transmitter with a Schmitt Trigger Inverter,by Giovanni Di Maria)

 

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