DDS VFO voor de HF banden

Vooer r de bouw van een HF banden ontvanger volgens het bekende superheterodyne principe is een VFO nodig. Dit wekt een frequentie op die opgeteld of afgetrokken wordt van het ingangs signaal en zo de midden frequentie oplevert. In vergangen jaren was een midden frequentie van 9 MHz vrij gebruikelijk en met een VFO van 5 tot 5,5 MHz kan je op die manier de 80M band en de 20M band ontvangen. In het geval de 80M band ontvangen wordt ligt de VFO frequentie boven de te ontvangen frequentie en bij ontvangen van de 20M band ligt de VFO frequentie dus beneden de te ontvangen frequentie. Omdat in beide gevallen van het zelfde Xtal filter en carrier oscillator gebruik gemaakt werd kwam het ook zo uit dat op 80M de lage zijband en op 20M de hoge zijband gebruikt word, dit ten gevolge van het hoger dan wel lager zijn van de VFO frequentie ten opzichte van de ontvangst frequentie en gebruik van de zelfde carrier  oscillator. We willen natuurlijk altijd voor de kleinste investering wel vooraan zitten, en met deze frequentie keuze lukt dat ook. Voordeel is tevens dat de storende spiegel frequenties ook weer in de amateurband ligt, namelijk net in die band die je niet wilt ontvangen. De overheden vinden prima want als je zo een zender bouwt dan stoor je me de opgewekte spiegels alleen maar andere amateurs en verder niemand. Tevens voor ons een goede reden de zaken goed voor elkaar te hebben want we willen elkaar toch niet trakteren op een portie storing waardoor een ander problemen heeft met de ontvangst. Goed dat was historie, tegenwoordig  maken we geen VFO meer van een vrijlopende oscillator en hebben we vrije keuze van wat we nemen als midden frequentie. Ondank de mogelijkheden die we nu hebben zien we in de zelfbouw nog steeds midden frequenties tussen ongeveer 4MHz en 20 MHz en zelf gebouwde Xtal ladder filters. En om eerlijk te zijn vind ik dat ook wel de uitdaging om zowel het filter als de frequentie opwekking, het VFO dus, zelf te maken. Nu we de beschikking hebben over allerhande rekentuig als PC’s en micro controllers is het een goed idee om daar van de mogelijkheden eens te onderzoeken. Een PC alleen voor een ontvanger is denk ik wat overdreven maar een microcontroller . . . . . . dat lijkt een stuk zinvoller. Kortom een snelle keuze gemaakt en een Arduino Mega aangeschaft, een 2 x 16 character LCD en een DDS module (AD9850) en de sprong in het diepe kan gemaakt. VFO printl

De print die ik er voor gemaakt heb in Sprint

Ik heb nog nooit iets met een Arduino gedaan en dit is dus mijn kennismaking met dit platform. Beginnen is best een drempel en dus begin ik maar simpel: hoe knipper je een LED? Dat pluk je zo van internet en het programma in de Arduino Mega gezet en het werkte. Nu maar even aandachtig lezen hoe het werkt en proberen er een eigen draai aan te geven, het went eigenlijk best snel vind ik. Dus ook geprobeerd de LCD aan te sturen en ook weer zonder echte problemen. Natuurlijk wel de slordigheidjes van vergeten van de ‘;’ aan het einde van een regel en dergelijk soort andere noodzakelijkheden. Maar het went en ook nog redelijk snel. Nu de grote stap naar het maken van een VFO. Een rotary encoder als draaiknop voor de afstemming, oh ja daar had ik ook wat voor gevonden (google is je vriend!) en ook wat voor het aansturen van de DDS gevonden. Kortom de basis ingrediënten waren er maar nu van de ingrediënten nog een lekker gerecht maken, en daar komt wat creativiteit bij kijken.  Ik wil het zo hebben dat het display genoeg info geeft over hoe de zaken er bij staan, zoals de band waarop is afgestemd (en ben ik wel binnen de band grenzen), de frequentie stap groote van de draaiknop, LSB of USB is ook handig te weten en de S meter kan er ook wel bij. Dan is er nog iets ruimte over die benut word om de status van het VFO aan te geven zoals wat stel je in met de draaiknop. Is dat de frequentie of de stap grootte of op welke band we luisteren of  de RIT functie? Het staat er nu dus allemaal op (en voor de uitbreiding naar de zender ook nog T in de transmit mode). Dan is het display wel aardig gevuld met al die info. Bij nader inzien is het voor de ontvanger nodig om 2 zijband carrier oscillatoren te hebben als we zowel LSB als USB willen kunnen ontvangen. Dus 2 Xtal oscillatoren, of een extra DDS boardje. Dat laatste is nauwelijks duurder en veel handiger, dus was de keus snel gemaakt. Het is een tweede DDS geworden. Ook die wordt door de Arduino Mega aangestuurd. Om een indruk te geven hoe het er nu al uitziet, en dat is natuurlijk nog niet definitief.

VFO_1

Tot nu toe zit het ‘voorlopig’ in elkaar en werkt het

Op het display zien we op de bovenste regel dat het VFO in de ‘Transmit’  mode staat en de zender 4 Watt levert. Ook dat we in de 80 meter band zitten en de lage zijband gekozen hebben. De regel daaronder verteld ons de afgestemde frequentie en dat de draaiknop in de mode ‘F’ staat wat inhoud dat als we aan de knop draaien we de frequentie veranderen. Ook is er een ‘S’ mode voor de stap grootte en ‘R’ mode voor het instellen van de RIT functie en een ‘B’  functie om van amateurband te kunnen wisselen zonder b.v. van 3,8 MHz helemaal naar 7,0 MHz te moeten draaien en eventueel de stap grootte groter maken en later weer terug zetten naar een handige kleine waarde. En er is nog een mode die alles achter de gekozen stap grootte 0 maakt, dan stem je dus bij voorbeeld af op veelvouden van 1 kHz.  Ik ben nu nog bezig om een tweede VFO er in te programmeren zodat je keuze hebt uit VFO A en VFO B voor b.v. split werken. En de ‘leading zero’ die nu nog op het display te zien is bij de frequentie van 03,604.000 MHz heb ik er al af gehaald zodat er nu netjes 3,604.000 MHz staat, eigenlijk de nul vervangen door een spatie zodat alles niet heen en weer springt als je de 10 MHz grens passeert. Veel mogelijkheden zitten er al in maar ik moet nog wel eens goed nadenken over de manier waarop je het bedient, of dat niet wat handiger kan. Probleem is dat alle I/O pennen van de Arduino al benut zijn en een extra druk knop of schakelaar dus geen optie is behalve als ik op een slimme manier een mogelijkheid vind om zonder dat de functionaliteit er onder leid een (digitale) input ergens kan besparen en voor een schakelaar kan gebruiken. Het blijft een uitdaging waarbij gebrek aan fantasie net zo beroerd is als een overschot aan fantasie. In het eerste geval gaat het niet werken en in het tweede geval is het nooit af.

Zo ver zo goed en wordt vervolgd. . . .  73 Jan PA0DMM

Zelfbouw . . . .

Een HF banden ontvanger

Dat is weer een bouw idee dat op een zaterdag ochtend in mij op kwam. Het was eigenlijk nog te vroeg om me te realiseren wat dat allemaal inhoud. Dus gewoon onbezorgd aan het plannen maken gegaan. De eerste vraag die boven komt drijven is of het nu een DC (directe conversie) of superhet moet worden. Directe conversie mist een aantal dure of moeilijke dingen zoals een Xtal filter en noodzaak tot het maken van een selectief ingangs filter om spiegels te onderdrukken. En een DC ontvanger is grotendeel laag frequent techniek, en dat is voor een ontwerp op een gaatjes print wel even handig dacht ik zo. Als je met een DC ontvanger zijband selectiviteit wilt hebben dan zal je of het fase principe met twee fase verschuivende netwerken, 2 mixers, 2 VFO’s die 90 graden in fase verschoven zijn , kortom tot de product detector eigenlijk alles dubbel. Andere mogelijkheid is systeem Weaver, waarbij ook alles dubbel is maar de fase verschuivende netwerken niet nodig zijn maar omdat je niets voor niets krijgt heb je wel twee laag doorlaat filters nodig en een subcarrier van ongeveer 1500 Hz. Het is eigenlijk lood om oud ijzer, een keuze die open is. Ik heb aanvankelijk gekozen voor de fase methode. Zowel de fase methode als methode Weaver zijn afhankelijk van twee 90 graden in fase verschoven VFO signaal op de ontvangst frequentie, eigenlijk is dat niet helemaal waar want bij methode Weaver heeft de VFO een offset van 1500 Hz omdat die er weer bij opgeteld word door de subcarrier mixers. De twee 90 graden verschoven frequenties kan je maken door uit te gaan van een 4 x te hoge VFO frequentie en deze dan op een handige manier door 4 te delen met b.v. een 74AC74 dual flipflop. Daarmee halen we tegelijk wat CMOS digitale logica binnen de ontvanger en is het gezien de uitgangs niveaus van de delers aantrekkelijk om mixers te kiezen die direct hiermee overweg kunnen. En die zijn er, een voor de hand liggende keus is de 74HC4066 (4 CMOS schakelaars) te nemen en daar de mixer mee op te bouwen. De bekende Tayloe mixer die genoemd is naar zijn ontwikkelaar. Deze configuratie met 74AC74 deler en 74HC4066 mixer maakt samen een goed groot signaal bestendige ingang voor een HF ontvanger met het nadeel dat als je tot 30 MHz wilt ontvangen een VFO nodig hebt dat tot 120 MHz moet kunnen gaan. Wel een uitdaging. . . . die mij niet zo aantrok. Dus maar een kit gekocht om een VFO te maken op basis van een Si570 en een micro controller. Dat VFO zat toen het pakje met de kit eenmaal binnen was na een paar uur woest staren op de SMD componenten in elkaar. En het werkte in een keer !!!  Daarna de deler getest en ook een succes. En de rest van de ontvanger gaan bouwen, van achter naar voor om steeds de volgende stap te kunnen testen. Eerst dus de LF versterker voor de luidspreker (LM380) daarna de opteller die straks de fase verschoven signalen binnen krijgt en waar je de zijband keuze kan maken, ook in 1 keer werkend. Het is immers allemaal nog recht toe recht aan laag frequent. Daarna de fase verschuivende netwerken berekend, gesimuleerd en gebouwd en getest. Ook die werkten in 1 keer goed maar het afregelen heeft toch wel een paar uur en koppen koffie gekost. Zo ver zo goed en hiermee waren wel een paar belangrijke zaken goed afgerond. Nu nog de eerste trappen laag frequent versterking voor na de mixer. Die heb ik uitgevoerd als instrumentatie versterker omdat deze werkt als verschil versterker en de versterking handig met 1 weerstand (potmeter) ingesteld kan worden. die weer gevolgd door een simpele opamp versterker met 40 dB versterking, we hebben wel wat gevoeligheid en dus versterking nodig. Overigens zijn voor alle opamps in de versterkers en filters NE5532A opamps gekozen vanwege de lage ruis en prettige prijs. Alles gesoldeerd op een EUROKAART gaatjes print van 10 x 16 cm met uitzondering van het VFO die als kit geleverd werd.

_XT12540

De EUROKAART gaatjes board en links het dubbel uitgevoerde LC filter.

Op de eurokaart midden onder de 14 pins IC’s rechts de 74AC74 dual flip flop deler, daarnaast de 14 pins IC’s zijn de 2 stuks 74HC4066 mixer, deze is dubbel uitgevoerd om de schakel weerstand te verlagen. links daarnaast de eerste versterkers. daarboven de connector voor het (insteek) LC filter, daarboven de opamp met 200 x versterking.  Dan naar rechts de fase verschuivende netwerken, de inverter en sommator en de LM380. Daaronder de opamp die de bias spanning maakt en het laatste LC laagdoorlaat filter. En natuurlijk zie je ook nog de 7805 voor de voeding voor de CMOS  IC’s (74AC74 en 74HC4066). Op de foto ook de volume potmeter en de zijband selectie schakelaar.

In het shema hier onder is te zien hoe het werkelijk in elkaar zit en een beetje uitleg van de werking. In het schema staan 2 sinus signaal bronnen en die zijn in werkelijkheid gevormd door de output van de 74HC4066 mixers.

schema

Schema van het laagfrequent deel (zonder de LM380)

In het schema zien we links de instrumentatie versterkers, gevolgd door een LC filter dat alles hoger dan 3kHz tegenhoud. Dit is gedaan omdat de mixers en instrumentatie versterker een veel grotere band breedte hebben en als dat ook de volgende versterkers door zou gaan tot over sturing en dus tot vervorming leid. Niet echt een goede situatie als dat gebeurt. Vergelijk het maar met het roofing filter zoals dat in vele ontvangers aanwezig is. Ook dat is geen echt overbodige luxe. Na het filter volgt een versterker die nog eens ongeveer 200 x versterkt en daarna volgt het uit 3 trappen opgebouwde fase verschuivend netwerk. Dit is voor beide kanalen (boven en beneden in het schema) verschillend omdat we immers 90° fase verschil moeten creëren. Op deze manier lukt dat redelijk goed, ieder geval zo goed dat als je de component waarden exact aanhoud een ongewenste zijband onderdrukking van 40 dB te halen is. En daar zit nu de uitdaging: weerstanden van 0,1% . . . .  zijn betaalbaar maar condensatoren van 0,1%  . . . . nee dus , dat gaat niet lukken. Bedenk er even bij dat het gaat om RC combinaties die bepaalde tijd kotstantes moeten hebben,  oplossing is dan dus het kiezen van redelijk nauwkeurige condensatoren (2% Wima) en weerstanden van 1% en hiermee in serie een multi turn instel potmeter om de tijdconstante exact te kunnen tunen.  De ervaring leerde me dat dat te doen is, maar afhankelijk van wat je ter beschikking hebt aan meet spul een hele opgave kan zijn. Ik ben gelukkige eigenaar van een CLIO audio meetsysteem en daarmee is het zo gedaan , klein uurtje en klaar!! Maar ik heb het ook op het gehoor, luisterend naar SSB signalen, geprobeert. Dat lukte ook (bijna) net zo goed maar koste me enkele uren en koppen koffie. Maar de volhouder wint en dat geeft een voldaan gevoel. Na de fase verschuivende netwerken moeten deze signalen bij elkaar opgeteld of afgetrokken worden afhankelijk van welke zijband je wilt overhouden, de andere valt door het optellen of aftrekken weg.  Optellen is makkelijk, daarvoor bied je ze beide aan aan de ingang van een opamp en aan de uitgang staat het opgetelde signaal. Aftrekken kan ook maar de handigste manier leek mij eerst een van de 2 signalen te inverteren en dan op te tellen. Dat zie je terug in de opamp rechts boven in het schema. De opteller staat rechts onder in het schema. na de opteller is weer een laag doorlaat filter geplaatst wat alle ruis die onderweg ontstaan is in de vele opamps en ook buiten de gewenste audio band valt weg te filteren. Het zou anders alleen ruis toevoegen in een gebied waar het gewenste (SSB spraak) signaal geen bijdrage levert, dus alleen maar ballast waar we niets aan hebben, weg ermee !!

En hoe doet die ontvanger het nu? De eerste indruk was dat hij het niet deed, geen ruis uit de luidspreker en dat is niet bemoedigend als je hem voor het eerst aan zet!!! Maar na het aansluiten van een antenne (die normaal aan mijn TS590SG zit) werd ik overgoten door een bak ruis zoals ik nog nooit gehoord had, oh ja de volume regelaar stond natuurlijk nog vol open omdat ik eerst niets hoorde, ook snel opgelost. Toen ingetuned op het Nederlands talig amateur net op 3.604 MHz en daar waren de bekende stemmen luid en duidelijk in een ‘HiFi’ kwaliteit die ik van mijn TS590 niet kende. Het klonk super maar wel met wat meer ruis als op de TS590. Bij de zachte signalen was er natuurlijk meer ruis dan bij harde maar opvallend was wel dat wat net te zacht was voor de TS590 om verstaanbaar te maken had mijn DC ontvanger niet dat probleem, die maakte het verstaanbaar maar wel met veel ruis . . . . maar verstaanbaar! Om het ruis karakter wat minder scherp te maken heb ik later na de eerste versterker (de instrumentatie versterker) nog een laagdoorlaatfilter met spoelen en condensatoren gezet, dit filter valt steil af boven 3000 Hz. Het luistert nu heel prettig, is gevoelig en je mag best zeggen dat het audio heel mooi klinkt. Ieder geval klinkt het beter dan mijn TS590SG, FT897 en FT817. Vervolg is alles herbouwen op normale printen in een meer modulaire vorm. De print met de 74AC74 deler en 74AC4066 mixer en instrumentatie versterkers is klaar en werken prima als ik ze combineer met de rest op de gaatjes EUROKAART.

Realisatie op print

Ondertussen heb ik een print gefreesd waarop de 74AC74 deler en de 74HC4066 mixers zitten en de eerste trap versterking met de instrumentatie versterkers. Natuurlijk ook een opamp om de noodzakelijke bias spanning (1/2 voedings spanning) te maken.  Maar ook een 78L05 voor de spannings voorziening van de deler en mixers. De overige delen komen op een andere print te zitten, die moet nog gemaakt worden. Ondertussen heb ik deze print getest in combinatie met de gaatjes EUROKAART print, die leverde de 200 x versterker en alles wat daar na komt. Samen een goede ontvanger!_XT12539Het ‘front end’ van de ontvanger op print gezet. De BNC is de antenne ingang.

_XT12538

Onderkant van de gefreesde ‘front end’ print

Wordt vervolgt. . .