Projekt: digitale Funkverbindung scratch entwickeln

[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.

[Peter(TOO)]

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.

Das hat mich jetzt nicht so verwundert, vor allem als ich gesehen habe, dass du da 7.5pF in deiner Simulation eingesetzt hast.
Schon ein einfache IC-Sockel hat zwischen den Beinchen 1-2pF. Bei einem Steckbrett sind es noch wesentlich mehr, zwischen 2 Reihen.

OK, hast du jetzt nicht verwendet. Aber auch ein gelöteter Aufbau hat parasitäre Kapazitäten im pF-Bereich.
Ganz lustig war immer, wenn man Schaltungen durch annähern der Hand abstimmen konnte. Das Theremin lässt grüssen.

Ich hatte letztmalig das Problem mit fliegenden Aufbauten gegen Ende der 70er Jahre. Damals mit 74Sxx-Logik und "Wahnsinnigen" Taktraten um die 60MHz. Damals hat es sich bewährt eine einseitig kaschierte Leiterplatte zu nehmen, Löcher für die ICs zu bohren und die Bohrungen auf der Kupferseite anzusenken. Die ICs habe ich dann auf dr Kupferseite bestückt und auf der anderen Seite verdrahtet. Das Ganze ergibt dann eine primitive Art von Strip Lines, also eine Art von Koaxkabeln.

Nach diesem Projekt habe ich es dann aufgegeben erst irgendwelche fliegenden Aufbauten zu machen. Direkt vom Entwurf eine Platine erstellen, im Labor ätzen und zu testen war schneller. Im ersten Platinen-Entwurf finden sich immer Fehler, welche für eine Serie behoben werden müssen, auch wenn es nur mechanische sind. Allerdings hat man dann schon beim ersten Entwurf die realen parasitären Kapazitäten.
Vom funktionierenden fliegenden Aufbau zum ersten Layout verändert sich nochmals einiges und funktioniert dann nicht.

MfG Peter(TOO)

[vohopri]

Hallo Peter,

ja, verwundert hat mich das veränderte Verhalten auch nicht. Im Gegenteil, ich hab das auch erwartet.

Die 7.5 pF stammen nicht aus einer Sim, sondern haben sich auf dem Steckbrett bewährt, und dass da andere Werte erforderlich werden, war schon klar. Das ltspice verwende ich hier nur als Zeichenprogramm und zum Teil zum Layouten der fliegenden Aufbauten, weil es beim Zeichnen viel schneller hand zu haben ist, als eagle. Eagle kommt eher dann zum Einsatz, wenn ich Platinen anfertige.

Wo meine Erwartungen nicht zugetroffen haben, war in dem Punkt, dass ich mit experimentellem Verändern der Werte nicht weiter gekommen bin. Mein Verständnis für die Vorgänge in der Schaltung war mangelhaft und zu weit von der Realität entfernt. Da hab ich etwas nachgeholt und mein neuer Aufbau für die Entwicklung bietet noch grosszügiger Platz zum improvisierten Verändern der Werte durch // schalten. Beides zusammen hat jetzt rasch zu guten Ergebnissen geführt.

Die Variante mit dem Bestücken auf der Kupferseite gefällt mir auch sehr gut, ist mir aber hier bei rd. 10 Mhz zu teuer. Da reicht meine Variante mit langen Bauteildrähten (Wiederverwendbarkeit) auf Lochraster ohne Kupferauflage mit Leiterbahnen aus Draht auf der Oberseite gut aus. Quarzgesteuert ist die Sache auch ausserhalb der bereit gehaltenen Keksdose stabil.

[vohopri]

Auch der Clapp Oszillator konnte nun optimiert werden. Einige Schaltungs Varianten und da jeweils einige Dimensionierungsvariationen habe ich getestet. Der Aufbau ist sehr offen für solche Versuche.



Signale zeigen dann das Ergebnis. Gelb ist das Emitter Signal. Es ist durch den Abgleich relativ schön geworden. Der optimale Auskopplungspunkt liegt aber nicht hier, auch wenn das immer wieder vermutet wird.



Blau ist das Signal zwischen Quarz und Ziehkapazität. Das ist schon besser und eignet sich für die Weiterverwendung.
Ein Bildchen hab ich auch gemalt, damit ich später weiss, was ich getan habe.



Simulationen über die Zeit werden nicht gerechnet. Die sind zu rechenintensiv, hier ist das Löten VIEL schneller.

[Peter(TOO)]

Blau ist das Signal zwischen Quarz und Ziehkapazität. Das ist schon besser und eignet sich für die Weiterverwendung.
Ein Bildchen hab ich auch gemalt, damit ich später weiss, was ich getan habe.

Allerdings wird die nächste Stufe dadurch Teil des Oszillators.

Die Eingangskapazität der nächsten Stufe liegt parallel zu Trim, C2 und C5.Wenn du den 1:1 Meskopf deines Oszilloskopes nimmst, schaltets du beim Messen schon 10-20pF parallel.

Ein weiteres kleines Problem: Eine Verstärkerstufe hat immer auch noch eine Komponente, welche vom Ausgang auf den Eingang rückwirkt. Je nach angeschlossener last musst du dann nachtrimmen.

MfG Peter(TOO)

[vohopri]

Servus Peter,

du sprichst wichtige Themen an. Ja , es ist klar: Egal, wo ich auskopple, beeinflusse ich den Oszillator und muss nachstimmen - in jedem Fall. Immer liegt die folgende Stufe parallel zu einem Teil der kapazitiven Bürde vom Quarz.

Darum plane ich eine Pufferstufe ein, die bedeutet eh wenig Aufwand. Wenn ich eine kleine Koppelkapazität verwende und eine Kollektorstufe mit LC Kreis, dann rechne ich mit einem sehr sauberen Signal. Die genaue Ausführung ist noch nicht ausgearbeitet. Ich rechne nicht damit, dass ich beim Quarzoszillator einen Kaskoden Puffer brauchen werde. Was denkst du? Wir werden ja sehen.

Dass immer Rückwirkung stattfindet ist selbstverständlich. Ich denke nicht, dass das Ausmass so gross sein wird, dass es unzulässigen Veränderungen kommt. Natürlich wird auch das zu prüfen sein. Un es sollte ohnehin auch klar sein, dass man nicht die Antenne wechselt, ohne die Auswirkungen zu überprüfen. Einen vernünftigen Wirkungsgrad bekommt man ohne Abgleich gar nicht hin.

[Peter(TOO)]

Darum plane ich eine Pufferstufe ein, die bedeutet eh wenig Aufwand. Wenn ich eine kleine Koppelkapazität verwende und eine Kollektorstufe mit LC Kreis, dann rechne ich mit einem sehr sauberen Signal. Die genaue Ausführung ist noch nicht ausgearbeitet. Ich rechne nicht damit, dass ich beim Quarzoszillator einen Kaskoden Puffer brauchen werde. Was denkst du?

Ist natürlich auch eine Frage der Frequenz.
Du tummelst dich bei 13.5 MHz rum, bei 150MHz sieht es dann wieder anders aus.