Узкополосная охранная радиосигнализация
Особенность данного охранного устройства заключается в том,что в нем применен приемник с достаточно узкой полосой пропускания. Уменьшение полосы пропускания до значения 0,1 Гц позволило при небольшой мощности передатчика получить достаточно большую дальность действия. Для работы на расстояниях в несколько километров достаточно мощности передатчика менее 0,1 Вт. При мощности передатчика в несколько единиц или десятков ватт можно получить дальность действия радиосигнапизации более 20000 км. Так как длина экватора Земли составляет 40000 км, то в этом случае сигнал срабатывания датчиков радиосигнализации может быть принят в любой точке Земли.
Проблема воровства и охраны собственности всегда была и будет актуальной (особенно в нашей стране). Поэтому промышленностью выпускается множество различных охранных систем, а в радиолюбительских журналах опубликовано большое количество описаний различных охранных сигнализаций, которые сильно отличаются друг от друга и по устройству, и по техническим характеристикам. Радиосигнализация достаточно проста и автономна в работе, но при этом имеет сравнительно небольшую дальность действия.
Структурная схема передатчика приведена на рис. 1.
Рис.1
Работает передатчик следующим образом. Пилообразное напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения подается на управитель частоты, который изменяет частоту задающего генератора. На выходе задающего генератора образуются высокочастотные колебания с линейно - частотной модуляцией,которые через буферный каскад и усилитель мощности подаются в антенну. Работой генератора пилообразного напряжения (и всего передатчика) управляет контактный датчик охранной сигнализации. Можно использовать два режима управления. Первый режим применяется в том случае, когда передатчик и приемник не перемещаются и сигнал передатчика гарантированно принимается приемником. В первом режиме при срабатывании контактного датчика охранной сигнализации включается питание передатчика (или его мощных каскадов) и запускается генератор пилообразного напряжения.
Для передачи сигнала тревоги достаточно времени одного цикла работы генератора пилообразного напряжения. Второй режим применяется, когда приемник и передатчик перемещаются. В этом случае необходимо контролировать наличие связи между передатчиком и приемником, поэтому передатчик постоянно излучает тестовый сигнал. Срабатывание контактного датчика во втором режиме приводит к изменению частоты генератора пилообразного напряжения.
Принципиальная схема передатчика (рассчитанная на второй режим работы) приведена на рис. 2.
Рис.2
Генератор пилообразного напряжения выполнен на транзисторах VT8...VT12, роль контактного датчика выполняет выключатель SA1.Управитель частоты построен на диоде VD1, который используется в качестве варикапа. В качестве задающего генератора работает транзистор VT1, буферный усилитель выполнен на транзисторах VT2...VT6 (транзистор VT4 включен по схеме с общей базой). В качестве усилителя мощности работает транзистор VT7. При размыкании выключателя SA1 в два раза увеличивается частота генератора пилообразного напряжения.Генератор пилообразного напряжения на рис. 2 работает следующим образом. При включении питания конденсатор С16 начинает заряжаться через резистор R15,при этом напряжение на конденсаторе С16 и на нагрузке эмиттерного повторителя R16 линейно увеличивается. При определенном напряжении на R16 срабатывает триггер на транзисторах VT8 и VT9.Напряжение на резисторе R13 увеличивается, транзистор VT10 открывается и конденсатор С16 быстро разряжается через резистор R14.Резистор R6 служит для установки положения рабочей точки транзистора усилителя мощности VT7. Яркость свечения светодиода VD5 пропорциональна напряжению на конденсаторе С16 и резисторе R16. Следовательно, яркость свечения пропорциональна мгновенной частоте передатчика.Информация о мгновенной частоте передатчика полезна при настройке радиосигнализации. Светодиод VD4 служит для индикации напряжения на выходном контуре передатчика.
Структурная схема приемника охранной сигнализации приведена на рис. 3.
Рис.3
Работает она следующим образом. Сигнал из антенны через усилитель высокой частоты подается на сигнальный вход первого смесителя, а на второй вход первого смесителя подается напряжение первого гетеродина. На выходе первого смесителя образуется напряжение первой промежуточной частоты (350 Гц), которое через фильтр первой промежуточной частоты и усилитель первой промежуточной частоты подается на сигнальный вход второго смесителя, на второй вход которого подается напряжение от второго гетеродина.На выходе второго смесителя образуется напряжение второй промежуточной частоты (0,1 Гц), которое через фильтр второй промежуточной частоты и усилитель второй промежуточной частоты подается на амплитудный демодулятор, который преобразует это напряжение в постоянное (или пульсирующее) напряжение. Пульсирующее напряжение на выходе амплитудного демодулятора открывает электронный ключ, который переключает триггер. Выходное напряжение триггера включает генератор звуковой (тональной) частоты. С выхода генератора звуковой частоты переменное напряжение через усилитель мощности звуковой частоты подается на громкоговоритель или другое исполнительное устройство.
Для улучшения формы управляющего напряжения на выходе амплитудного демодулятора в приемнике применена система динамической фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая работает следующим образом. Диапазон перестройки частоты передатчика при линейно - частотной модуляции составляет примерно 50 Гц, что намного больше ширины полосы пропускания приемника. При изменении частоты передатчика в процессе модуляции в какой-то момент времени частота передатчика попадает в полосу пропускания приемника. Тогда при отсутствии в приемнике системы ФАПЧ на выходе амплитудного демодулятора образуется выпрямленное напряжение биений (см. рис. 5). Такое напряжение можно использовать для управления электронным ключом, но это не совсем удобно. При наличии в приемнике системы ФАПЧ и при попадании сигнала передатчика в полосу пропускания приемника происходит захват системой ФАПЧ частоты передатчика. При этом частота первого гетеродина отслеживает частоту передатчика, а напряжение на выходе амплитудного демодулятора линейно увеличивается.При этом мгновенная разность частоты передатчика и частоты настройки приемника не равна нулю,а имеет величину примерно 0,01 Гц.Это значение остаточной расстройки определяется значением нижней границы полосы пропускания усилителя второй промежуточной частоты. Если в качестве усилителя второй промежуточной частоты применить усилитель постоянного напряжения, то остаточная расстройка будет равна нулю. Но в этом нет необходимости.Описанный выше режим динамической синхронизации будет сохраняться до тех пор, пока разность частот передатчика и приемника не станет больше полосы удержания системы ФАПЧ. Тогда произойдет срыв синхронизации,и напряжение на выходе амплитудного демодулятора резко уменьшится.
Следовательно, при наличии системы ФАПЧ на выходе амплитудного демодулятора сформируется четкий одиночный треугольный импульс напряжения (см. рис. 6), который хорошо подходит для управления электронным ключом.
Принципиальная схема приемника приведена на рис. 4.
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Усилитель высокой частоты выполнен на транзисторе VT1, а в качестве первого смесителя работает балансный смеситель, входящий в состав микросхемы DA1. Фильтр первой промежуточной частоты состоит из конденсаторов С5, С7, С8, С9, С10, С11, С13, С14, С15, а также внутренних резисторов и усилителей микросхемы DA1, которые образуют активные фильтры. Усилитель первой промежуточной частоты построен на микросхеме DA1 и транзисторах VT11,VT12. Первый гетеродин выполнен на транзисторе VT6, а управитель частоты - на диоде VD8. В качестве второго смесителя работает транзистор VT10, а фильтр второй промежуточной частоты образуют элементы R28C37R32C38. Второй гетеродин построен на левой по схеме половине микросхемы DA3, а усилитель второй промежуточной частоты выполнен на правой половине этой микросхемы. В качестве амплитудного демодулятора работают транзисторы VT8 и VT9,электронный ключ построен на транзисторе VT7. В качестве триггера работают элементы DD1.1 и DD1.2.Генератор звуковой частоты образуют элементы DD1.3 и DD1.4. Усилитель мощности звуковой частоты построен на транзисторах VT3...VT5. Транзистор VT2 служит для регулировки усиления усилителя высокой частоты. Переключатель SA1 позволяет выбрать режим автоматической регулировки усиления или ручной регулировки чувствительности. Переключатель SA2 управляет подавителем шумов. Кнопка SA3 сбрасывает триггер в исходное положение для выключения генератора звуковой частоты. Резистор R9 служит для точной настройки приемника на частоту передатчика. Резистор R10 служит для регулирования положения рабочей точки транзистора VT8. Светодиод VD12 служит для световой индикации срабатывания сигнализации. Резистор R5 регулирует громкость звукового сигнала. Элементы R21C28 устанавливают триггер в исходное положение при включении питания. Резистор R13слyжит для ручной регулировки чувствительности приемника.Приемник предлагаемой радиосигнализации имеет довольно узкую полосу пропускания (0,1 Гц), но при этом нет необходимости в высокой стабильности частоты передатчика и первого гетеродина приемника. Это связано с принципом работы данного устройства (с применением линейно - частотной модуляции сигнала передатчика). Можно в качестве задающего генератора в передатчике и первого гетеродина в приемнике применить обычные кварцевые генераторы с относительной нестабильностью частоты в десять в минус шестой степени. При этом кратковременная абсолютная нестабильность частоты будет равна 3,6 Гц, а долговременная нестабильность будет около 36 Гц (она должна быть меньше девиации частоты передатчика при линейно - частотной модуляции).
Приемник сигнализации имеет высокую помехоустойчивость и для гармонических, и для импульсных помех. Помехоустойчивость для гармонических помех обеспечивается за счет узкой полосы пропускания приемника. Помехоустойчивость для импульсных помех обеспечивается за счет того, что фильтрация сигнала в приемнике осуществляется только за счет апериодических цепей, например, фильтров нижних частот и полосовых фильтров. Высокодобротные колебательные цепи не используются. Для оценки реальной помехоустойчивости к импульсным помехам был проведен следующий эксперимент. К выходу работающего приемника подключался осциллограф, а приемная антенна располагалась на корпусе телевизора. При включении телевизора уровень помех на выходе приемника совершенно не изменялся, что говорит о высокой помехоустойчивости. Скорость изменения частоты передатчика при линейно - частотной модуляции не должна быть слишком большой, иначе система ФАПЧ приемника не будет успевать ее отслеживать. Максимальная скорость изменения частоты передатчика, которую может отследить система ФАПЧ приемника, зависит от полосы пропускания замкнутой системы ФАПЧ, которая определяется по формуле:
где:
Fфапч - полоса пропускания замкнутой системы ФАПЧ;
Fфнч - полоса пропускания фильтра второй промежуточной частоты (ФНЧ);
Fудерж. фапч - полоса удержания замкнутой системы ФАПЧ.
Из формулы следует, что для повышения быстродействия системы ФАПЧ нужно увеличивать полосу удержания (крутизну управителя частоты).При работающих передатчике и приемнике светодиод VD12 в приемнике кратковременно загорается с частотой генератора пилообразного напряжения передатчика. Это обстоятельство можно использовать для контроля состояния контактного датчика подвижного охраняемого объекта. При этом будет использоваться второй способ управления контактным датчиком режима работы генератора пилообразного напряжения (об этом говорилось в начале статьи). Кроме того, контролируя частоту срабатывания светодиода VD12, можно дополнительно опознать сигнал своего передатчика в эфире. Кроме того, можно на одной частоте принимать на один приемник сигналы с нескольких передатчиков (использующих первый режим управления контактным датчиком режима работы генератора пилообразного напряжения). Все передатчики должны иметь разную частоту генератора пилообразного напряжения. Тогда по частоте срабатывания светодиода можно определить, на каком передатчике сработал контактный датчик.
Указанная в начале статьи максимальная дальность действия сигнализации соответствует чувствительности примерно 0,01 мкВ (на частоте 3,6 МГц). Из за отсутствия подходящих приборов, высокой чувствительности приемника и неизбежного влияния наводок у автора не было возможности непосредственно измерить чувствительность. Указанное значение получено расчетным путем. Для расчетов использовались два достаточно надежных способа, при этом результаты обоих расчетов были примерно одинаковы.При первом способе использовалась известная зависимость напряжения шума от ширины полосы частот, на которых измеряется этот шум. Если уменьшить полосу частот в 10000 раз, то напряжение шумов уменьшится в 100 раз. В диапазоне 3,6 МГц при полосе частот 1 кГц чувствительность телеграфных приемников равна примерно 1 мкВ, следовательно,в полосе частот 0,1 Гц чувствительность будет около 0,01 мкВ.
При втором способе в режиме сравнительно большого сигнала при помощи генератора сигнала и осциллографа были измерены (рассчитаны) коэффициенты усиления всех каскадов приемника. Затем был рассчитан коэффициент усиления всего приемника.Затем было измерено напряжение шумов на выходе приемника и рассчитано напряжение шумов, приведенное ко входу приемника. Затем для заданного соотношения сигнал - шум (10 дБ) была рассчитана чувствительность приемника.При расчетах было учтено, что чувствительность приемника ограничивается только внешними шумами.В приемнике применены достаточно малошумящие транзисторы и микросхема, поэтому внутренними шумами приемника можно при расчетах пренебречь.Все элементы схем передатчика и приемника размещены в металлических корпусах, изготовленных из листового алюминия с применением навесного монтажа. При изготовлении сигнализации можно применить широкий ассортимент радиодеталей (как отечественного производства, так и импортных). Необходимо обратить внимание только на то, что конденсаторы С16 и С17 в передатчике должны иметь малый ток утечки. Но этому требованию соответствуют практически все современные импортные электролитические конденсаторы. В качестве индуктивностей L1 и L2 в передатчике и L4 в приемнике применены дроссели заводского изготовления. Катушки индуктивности L1,L2,L3 (рис. 4) намотаны проводом ПЭВ 0,5 мм на каркасах с ферритовыми сердечниками диаметром 8 мм (от контуров ПЧ телевизоров). Обмотка L1 содержит 19 витков, обмотка L2 - 19 витков, обмотка L3 - 4 витка.
Настройка передатчика заключается в следующем. Подстроечный конденсатор С5 нужно установить в среднее положение, а подстроечным резистором R6 установить рабочую точку транзистора VT7 таким образом, чтобы он работал в режиме В или в режиме С, контролируя ток, потребляемым передатчиком. Затем конденсаторами С13 и С14 нужно настроить выходной контур в резонанс по максимальному свечению светодиода VD4.Настройка приемника заключается в следующем.
Сначала нужно осциллографом точно измерить частоту напряжения второго гетеродина на базе транзистора VT10. Частота должна быть примерно 350 Гц.Затем нужно приблизить работающий передатчик к включенному приемнику, подключить осциллограф к резистору R38 в схеме приемника и поставить переключатель SA1 в нижнее по схеме положение (ручная регулировка чувствительности). Плавно вращая сердечники катушек L1...L3 и движок переменного резистора R13, нужно получить максимальную амплитуду напряжения первой промежуточной частоты на резисторе R38. Затем нужно при помощи конденсатора С25 установить частоту первой промежуточной частоты,равной частоте второго гетеродина (350 Гц). Затем нужно подключить осциллограф к резистору R31 и, плавно вращая движок переменного резистора R9, нужно получить на резисторе R31 треугольные импульсы напряжения, следующие с частотой генератора пилообразного напряжения передатчика. Затем нужно проверить, чтобы при каждом импульсе переключался триггер, и срабатывала звуковая сигнализация. Из сказанного выше следует, что на основе данной охранной радиосигнализации можно сделать узкополосную телеграфную радиостанцию с большой дальностью действия.
Александр Сергеев г. Сасово Рязанской обл.
|
