Алгоритм настройки TIMER0, чтобы получить 166.6(6) кГц на ножке порта PB7 (выход OC0A) на псеводокоде C:

1. Настройка PB7 как выхода:

DDRB |= (1 << PB7);

2. В регистре TCCR0A биты COM0A1 и COM0A0 нужно поставить в значение 01 (см. таблицу 14-2 даташита AT90USB162), тогда выход OC0A будет переключаться при срабатывании цифрового компаратора.

TCCR0A |= (0 << COM0A1)|(1 << COM0A0);

3. Биты WGM02 (регистр TCCR0B), WGM01, WGM00 (регистр TCCR0A) нужно установить в значение 010, тогда будет режим CTC, верхняя граница счета TOP будет определяться регистром OCR0A (TCCR0A |= (1<<WGM01)). Бит WGM02 и так уже сброшен в 0, поэтому достаточно изменить только регистр TCCR0A:

TCCR0A |= (1 << WGM01)|(0 << WGM00);

4. Таймер тактировать от частоты кварца 16 МГц, для этого нужно в биты CS02, CS01 и CS00 регистра TCCR0B записать значение 001 (см. таблицу 14-9 даташита):

TCCR0B |= (0 << CS02)|(0 << CS01)|(1 << CS00);

5. В регистр OCR0A нужно записать 47, тогда ножка OC0A будет переключаться с частотой 166.6(6) кГц.

OCR0A = 47;

[Виртуальный COM-порт для управления регистрами]

Для экспериментов я написал простенький проект на основе библиотеки LUFA, чтобы можно было через консоль текстовыми командами управлять содержимым любого регистра. Команды следующие:

Здесь addr указывается как 2 символа HEX-адреса, а bitmask это 2 символа HEX-значения маски бит для регистра. Команда set установит те биты регистра, которые установлены в маске, а команда clr сбросит те биты регистра, которые установлены в маске. Биты в маске bitmask, которые равны 0, командами set и clr не меняются.

Команды настройки TIMER0, чтобы получить 166.6(6) кГц на ножке порта PB7 (шаги 1..5):

Подстройка частоты гетеродина. Подключил частотомер к ножке PB7, и измерил полученную частоту. Оказалось, что на частоту генерации влияют конденсаторы C4 и C5, которые подключены к выводам кварца (ножки XTAL2 и XTAL1 микроконтроллера соответственно).

У меня получилось 166.674 кГц с двумя конденсаторами C4 и C5. Когда отпаял C5 от входа XTAL1, получилось 166.735 кГц. Когда отпаял оба конденсатора, получилось 166.767 кГц. Таким образом, выходную частоту удалось перестроить на 93 Гц. Частота тактового генератора 16 МГц при этом перестраивалась на 8928 Гц (93 Гц * 96)! Удивительно то, что интерфейс USB при этом продолжал нормально работать.

Возможно, что такой перестройки гетеродина будет достаточно. Если нет, то придется делать какую-нибудь дополнительную схему генератора. Кроме схемы генератора из [1], есть и другие варианты [4, 5].

[LC-генератор на 16 МГц]

После запуска макета приемника выяснилось, что частота кварца фильтра ПЧ оказалась выше 100 кГц - настолько, что скомпенсировать этот уход подстройкой частоты кварцевого генератора уже невозможно. Других кварцев на 100 кГц у меня не было (заказал на ebay, но они пока не пришли). Решить эту проблему можно несколькими способами - подобрать кварц на другую частоту, при этом придется перестроить контуры L2C7 и L4C22, или временно собрать обычный генератор на LC-контуре. Выбрал как более простой последний вариант.

Перерыл интернет в поиске разных схем. Больше всего понравился вариант на 2 полевых транзисторах КП303 - простая схема, хорошая нагрузочная способность, можно применить простую катушку без отводов и дополнительных обмоток.

Номиналы почти всех деталей схемы не критичны. Желательно только R1 применить с двухступенчатой настойкой, наподобие СП5-35Б, чтобы можно было точно настраивать частоту. Генератор заработал сразу. У меня не было хорошей индуктивности для LC-контура L1C4, поэтому пошел на рынок и по дешевке набрал разного старого железа, где были контуры с подстроечными сердечниками. Методом простого подбора нашел из них подходящую индуктивность с экраном и подстроечным сердечником.

Приемник с таким гетеродином заработал, но его частота не была достаточно стабильной, и было сложно её настроить резистором R1.

[Подбор кварца фильтра ПЧ и кварцевого резонатора для гетеродина]

Для повышения стабильности работы приемника решил вернуться к схеме на основе гетеродина с кварцевым резонатором. В Excel составил таблицу для подбора комбинации кварца фильтра ПЧ и кварца гетеродина. Таблица составлялась для популярных частот кварцев [6]. При изменении частоты ПЧ придется перестроить контуры L2C7 и L4C22, поэтому их значения я также добавил в таблицу.

Примечания:

(1) Базовый вариант, в котором частота ПЧ совпадает с [1].
(2) Таймер тактируется от внутреннего генератора AVR, стабилизированного кварцевым резонатором 16 МГц. В других вариантах тактирование таймера осуществляется от входа T1, на который подается частота от внешнего кварцевого генератора.

Fg частота гетеродина, привязанная к частоте ПЧ (т. е. к частоте кварцевого фильтра ZQ1).
Fqr реальная частота гетеродина, полученная делением частоты кварцевого генератора.
T1 частота кварцевого генератора, подаваемая на вход T1 таймера. Частота в этом случае должна быть в 2 раза ниже частоты тактирования AVR, т. е. меньше 8 МГц (AT90USB162 тактируется от 16 МГц). Если таймер тактируется не от входа T1, а от собственной тактовой частоты, то это частота 16 МГц.
OCR1A значение, загружаемое в регистровую пару OCR1AH:OCR1AL для получения нужного коэффициента деления с целью генерации частоты Fgr.
Δ уход частоты гетеродина, который следует компенсировать подстройкой.

После этого приступил к экспериментам, меняя частоты кварцев и коэффициент деления счетчика AVR по таблице. Кварцевый генератор собрал по следующей схеме:

Выяснилось, что частоту гетеродина при использовании кварцевого резонатора удается перестроить в лучшем случае на 30 Гц (имеется в виду частота в столбце Fgr, полученная после деления тактовой частоты таймером). Точнее всего работала комбинация ПЧ 100 кГц с кварцевым резонатором 6 МГц (выделено в таблице зеленым шрифтом).

Эта схема работает на частоте последовательного резонанса кварца. При подборе частоты кварцевого генератора следует иметь в виду, что кварц имеет 2 резонансные частоты - частота последовательного резонанса и частота параллельного резонанса. Эти частоты отличаются друг от друга примерно на 1%, частота последовательного резонанса ниже, а частота параллельного резонанса выше.

Пожалуй, самое сложное в настройке приемника - заставить кварцевый генератор работать на нужной частоте. В небольших пределах частоту генератора можно корректировать дополнительно подключенными емкостью и индуктивностью. Включенная последовательно с кварцем индуктивность понижает частоту генерации, а последовательно включенный конденсатор частоту повышает. Также подключенный параллельно кварцу конденсатор уменьшает частоту генерации (на схеме выше эту роль играют конденсаторы C1 и C2).

1. Конденсаторы, от которых зависит резонанс (C1, C7, C22, C74) или точная установка частоты (C14, C15, C18), применяйте термостабильные - слюдяные или бумажные. Обычные керамические не подойдут. Если у Вас есть старые советские трубчатые конденсаторы малой емкости, то берите окрашенные синим или серым цветом - они имеют минимальный температурный коэффициент.

2. Высокочастотные конденсаторы - постоянные, переменные и подстроечные - часто имеют "полярность". У них может быть так называемый "холодный" конец и "горячий" конец (зависит от конструкции конденсатора). Холодный конец соответствует обкладке конденсатора, которая его экранирует (находится снаружи конденсатора). На фотографии выше показаны высокочастотные конденсаторы, у которых "холодный" конец помечен черной меткой. Метка присутствует не всегда, но внутреннюю и внешнюю обкладку можно всегда определить прозвонкой обычным тестером.

В целях повышения помехозащищенности холодный конец следует подключать ближе к земле, т. е. к цепи, который имеет минимальный уровень сигнала. Горячий конец соответствует внутренней обкладке конденсатора, его подключают к цепям сигналов. Такая методика позволяет улучшить экранирование и тем самым повысить устойчивость работы радиотракта.

3. Если собираете макет, то желательно его собирать навесным монтажом на двустороннем текстолите, где нижняя фольга платы полностью соединена с общим проводом. Однако свой макет я собрал на обычной плате, см. фото.

4. Микросхемы лучше установить в сокет. Есть риск, что попадется неисправный экземпляр. Я заказал TCA440 (аналог К174ХА2) на aliexpress, и из 5 микросхем одна оказалась неисправной.

Старайтесь выходные цепи приемника монтировать подальше от входных, потому что при паразитной обратной связи возможно самовозбуждение (на входе и выходе приемника одинаковая частота сигнала 66.6 кГц). Катушки желательно поместить в экран, или мотайте их на ферритовых кольцах.

Настройка хорошо описана в [1], однако я настраивал свой приемник по более простой методике. Для настройки приемника Вам потребуется мультиметр, осциллограф и генератор (я использовал JDS6600 [9]). Также желательно иметь частотомер, он пригодится на этапе экспериментов с гетеродином. Соберите схему полностью, проверьте, что она и собрана правильно, без грубых ошибок и замыканий.

Настройку рекомендую выполнять в следующей последовательности:

1. Через разделительный конденсатор 1..10 мкФ подключите к выводу 7 микросхемы К174ХА2 любой УНЧ. Можно для этой цели воспользоваться звуковой картой компьютера. УНЧ дает возможность на слух контролировать работу всего тракта приемника.

2. Резистором R11 грубо настройте чувствительность S-метра PA1. Для этого при поданном питании дотроньтесь пальцем до вывода 12 (вход УПЧ) микросхемы К174ХА2. Микросхема начнет принимать и усиливать помехи, заработает АРУ, стрелка PA1 отклонится вправо. Отрегулируйте резистором R1 положение стрелки таким образом, чтобы она почти полностью отклонилась вправо (соответствует максимальному уровню сигнала).

3. Подайте с генератора на вход приемника сигнал частотой 100 кГц. Это можно сделать с помощью нескольких витков провода, наброшенных на магнитную антенну, на которые через резистор 100..470 ом подан сигнал с генератора. Подберите уровень сигнала таким, чтобы стрелка индикатора PA1 отклонилась примерно наполовину шкалы. Настройте контуры L2C7 и L4C22 в резонанс по максимуму отклонения стрелки PA1. L2C7 имеет малую добротность из-за малого соотношения L/C, поэтому его резонанс можно грубо подобрать емкостью C7. Контур L4C22 требует более точной настройки. Свою L4 я намотал на ферритовом кольце, и подбирал её индуктивность количеством витков.

4. По частотомеру установите частоту гетеродина 166.6 кГц. Если у Вас нет частотомера, то частоту можно с помощью генератора установить по биениям на простейшем смесителе (см. врезку "Как обойтись без частотомера").

5. Подайте с генератора частоту 66.6 кГц, и по показаниям S-метра PA1 настройте в резонанс контуры L1C1C2 и L5C27.

6. Осталась точная настройка, которая заключается в подгонке частоты гетеродина под частоту фильтра ПЧ на кварце ZQ1. Это делается по приему сигнала 66.6(6) кГц от эталонной станции. Отключите генератор и попытайтесь принять сигнал, настраивая частоту гетеродина и контур L1C1C2. Если приема нет, с помощью генератора выясните, на какой частоте идет прием, после чего корректируйте настройку L1C1C2 и гетеродина. В конечном итоге Вы должны добиться нормального приема радиостанции. Конденсатором C8 сбалансируйте фильтр ПЧ, добиваясь максимальной чувствительности приемника.

Если у Вас пока что проблема с настройкой гетеродина, можно временно вместо него применить внешний лабораторный генератор (например [9]), настроенный на частоту 166.6(6) кГц. Я даже подумываю поставить в корпусе приемника разъем для подключения внешнего гетеродина. Генератор должен работать в режиме прямоугольных импульсов со скважностью 50%, уровень импульсов 5V.

Если Вы находитесь далеко от эталонной радиостанции и прием неустойчивый, поднесите магнитную антенну к металлической водопроводной трубе или к трубе центрального отопления. Также можно сделать резонансную рамочную антенну [7, 8], настраиваемую внешним переменным конденсатором. Рамку можно сделать из обычных пяльцев для шитья крестиком. Чем больше диаметр катушки рамки, тем лучше. Рамочная антенна по сути это простой колебательный контур большого размера, настроенный в резонанс с частотой 66.6 кГц, в который для улучшения приема можно поместить магнитную антенну. Также полезно заземлить общий провод приемника. Готовые рамочные антенны можно купить на AliExpress.

Интересно, что уровень принимаемого сигнала сильно увеличивается, если поднести стержень магнитной антенны к трубе водяного отопления. Скорее всего причина в том, что по трубе текут высокочастотные токи, наводимые радиоволнами.

При наличии сильных электромагнитных помех (например от PC монитора или светодиодных ламп) может помочь экранирование магнитной антенны [10].

Можно определить частоту гетеродина с помощью лабораторного генератора и простейшего смесителя, показанного на схеме ниже.

Усилитель низкой частоты, подключенный к выходу этого смесителя, позволит на слух контролировать разность частот двух генераторов, измеряемого и эталонного, в пределах 100..8000 Гц. При достаточном уровне сигнала (амплитуда около 5V) по вспышкам светодиода можно определить разность частот 0.5..30 Гц.