Projekt: digitale Funkverbindung scratch entwickeln

[vohopri]

Bald sollen Antennen an die Geräte kommen, da ist es notwendig, auf spektrale Reinheit des Sendersignals zu achten. Zuerst hab ich mir die Senderschaltung in der Simulation her genommen und die Signale angesehen.



Das war gar grausig an zu sehen. Mutig, wie ich bin, habe ich eine fft drüber gelassen und ich wurde nicht enttäuscht: Starke Oberwellen zeigen sich in einem nicht akzeptablen Ausmass. Die 3.Harmonische ist nur 14 dB unter der Grundwelle.



Und es ist klar, was da los ist: Der Oszillator braucht Verstärkung, damit er anschwingt und dadurch gerät er schnell in die Begrenzung. Die Begrenzung verzerrt. Das Basis Signal sieht nicht besser aus, sondern noch schlechter. Es wird zwar durch den Quarz gefiltert, aber die Basisdiode arbeitet nun mal nicht linear.



Das Signal des realen Geräts schaut ganz gleich aus: Übel, da brauch ich keinen Spectrum Analyzser.

OK, die Lage ist eindeutig, die Ursache liegt an der Pierce Schaltung. Diese war nützlich für erste Versuche ohne viel Aufwand, aber sonst sollte man sie doch eher für andere Anwendungen einsetzen. Andere Oszillatoren erzeugen schöneren Sinus: z.B.: Franklin, Emittergekoppelter, Clapp. Der Clapp Oszillator geht beispielsweise auch in die Begrenzung, wie der Pierce, aber er bietet die Möglichkeit, das Signal durch den Quarz gefiltert auszukoppeln. Aber es ist noch etwas zu beachten. Beide Oszillatoren: TX und RX sollten den Quarz im selben Modus betreiben: lastresonant oder serienresonant.

[vohopri]

Der Clapp Oszillator sollte nach Meinke, Gundlach mit sehr guter Näherung auf der Serien Resonanz Frequenz schwingen und so mit dem Pierce Pendler kompatibel sein, aber das ist zu testen. Der Clapp hat zwei Vorteile. Wie erwähnt, lässt sich das Signal gefiltert auskoppeln und die Rückkopplung lässt sich gut einstellen. Die Balance zwischen Amplitude und spektraler Reinheit ist nicht sehr kritisch aber zu beachten.



Wenn man dann noch im Antennen Kreis einen Bandpass oder einen Tiefpass hat, dann sollte das allen Ansprüchen an Oberwellen Freiheit genügen.

[vohopri]

Was mit freiem Auge gut aussieht, findet auch die fft gut.



Hoffentlich komme ich heute noch zum Löten.

[vohopri]

Zum löten bin ich noch nicht gekommen, aber ein Steckbrett habe ich gefunden.



Man sieht: Bei einstufigen Schaltungen mit Quarz kann man sehr einfach experimentieren. Aber der Grenzen der jeweiligen Arbeitstechniken sollte man sich bewusst sein.



So sehen die Signale am Emitter (gelb) und am KOndensator in Serie zum Quarz (blau) aus. Alles klar, vor allem die 2. Harmonische ist deutlich zusehen, aber auch die 3. ist mit freiem Auge erkennbar.

Viele einfache Schaltungen koppeln am Emitter aus aber die Oberwellen kriegt man da nicht weg, sondern muss einigen Filter Aufwand treiben. Sinnvoller ist das Auskoppeln nach dem Quarz, so wie oben gezeigt. Das Signal ist sauber, die Spannung hoch, und eine einfache Pufferstufe stellt das Signal dann mit geringem Innenwiderstand zur Verfügung. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass die Stufe an der Basis direkt tastbar ist. Die Tastspannung darf nur nicht zu langsam steigen, sonst chirpt es. Und die Frequenz lässt sich gut mit dem vorhandenen Empfänger abgleichen. Mit dieser Info kann schon gebaut werden. Mit Korrekturen bei der Dimensionierung ist aber noch zu rechnen.

Die Antenne hat, hat einen niederen Eingangswiderstand, und einen sehr sehr kleinen wenn sie kurz ist - relativ zur Wellenlänge (< Lambda/4). Diese Tatsache definiert die Anforderungen für die folgenden Stufen.

[vohopri]

Für das Experimentieren und Austesten von Dimensionierungen braucht man Platz auf der Platine. Die gewünschten Bauteilwerte sind oft nicht am Lager und müssen provisorisch zusammengesetzt werden. Darum baue ich zunächst grosszügig im Manhattan Stil. Verdrahtet wird nur auf der Oberseite. So können die Module auch versetzt oder neu zusammengesetzt werden.



Die Signale am Emitter und und an der Auskopplung zeigen keine Überraschungen.



Das Signal am Emitter ist nicht geeignet für Ausstrahlung oder Weiterverarbeitung. Das Signal vom Auskoppelpunkt nach dem Quarz ist beträchtlich besser, als das vom Pierce Oszillator.

[vohopri]

Nun ja, es geht weiter, abhängig vom Zeit Ausmass, das gerade zur Verfügung steht.

Die MC Steuerung hab ich auf die Platine gebracht und die Module neu arrangiert:



Das Signal ist, wie schon gezeigt, sauber und erstaunlicherweise stark genug, um die Schaltvorgänge im Empfänger über einige Meter zuverlässig aus zu lösen.

Soweit so gut, das macht es jetzt möglich, mich um nächste Baustelle zu kümmern:
Im RX lasse ich die Spannung am Hüllkurverndetektor durch ein einfaches Portpin abfragen. Das funktioniert wunderschön, hat aber natürlich üble Folgen. Der Pendler muss so weit anschwingen, bis die Schaltschwelle erreicht ist. Damit ist er auf der Übertragungsfrequenz und den Harmonischen "lauter" als der Sender. Das muss schnell geändert werden, bevor da eine nennenswerte Antenne dran kommt.

3 Massnahmen sind geplant:
* Ein Schaltverstärker. Wenn ich die Schaltschwelle nur um den Faktor 10 runter setze, dann ist die abgestrahlte Leistung bei gleichem Fusspunktwiderstand der Antenne schon um 20dB niedriger.
* Ein Vorverstärker. Der ist sehr einfach gebaut, aber ich muss mich noch um die Messmittel für den Eingangskreis kümmern. Ohne Eingangskreis holt man sich zu viele Störungen in den Empfänger, so dass die Empfangsleistung durch den Vorverstärker wahrscheinlich sinkt und unzuverlässig wird.
* Die Empfangssoftware soll den Empfänger bei fehlendem Signal ruhig stellen.

Als erstes baue ich mal den RX ebenfalls auf eine Experimentierplatine.

[vohopri]

Das Übertragen der Empfängerschaltung vom Steckbrett auf einen gelöteten Aufbau hat nicht geklappt.
Zunächst ist der Pendler nicht angeschwungen, mit veränderten Buteilwerten, ist er dann unabhöngig vom Antennensignal zu schnell angeschwungen. Ganz offensichtlich haben die veränderten parasitären Eigenschaften des Aufbaues alles durcheinander gebracht. Zunächst habe ich andere Werte probiert.

Beim Experimentieren habe ich dann aber gesehen, dass ich mit einfachem Variieren der Bauteilwerte nicht weiter komme. Darum habe ich das sehr schnell wieder auf gegeben. Dann habe ich einiges zum Thema gelesen, ein paar Simulationen rechnen lassen und nun habe ich einen Experimentalaufbau vom Pierce Oszillator gelötet und sehr gezielt die Werte dimensioniert.



Zwei schöne Ergebnisse haben sich gezeigt. Durch Zurücknehmen der Geamtverstärkung durch Serienwiderstände konnte erreicht werden, dass der Oszillator ohne viel Verzerrungen arbeitet. Und durch ein geeignetes Aufteilen der Bürde Kapazität konnte erreicht werden, dass sich der Oszilator auf 10 Hz genau auf die Sollfrequenz abstimmenlässt. Wie gross der Ziehbereich ist, habe ich nicht ausgetestet, weil es in dem Zusammenhang nicht wichtig ist, aber um rund 150 ppm hat sich der Oszillator schon bewegen lassen.



Das ist das Signal am Kollektor.

Jetzt kann ich mich wieder der Empfänger Schaltung zuwenden, in der die Pierce Schaltung angewendet wird. Inzwischen weiss ich recht genau, was verschiedene Massnahmen bei der Dimensionierung bewirken. Jo mei, ma lernt halt nie aus.