der Oszillator kann und sollte keine größere Leistung abgeben. Um zu 'senden' wurde deshalb noch eine 'Leistungsendstufe' vorgesehen. Für den sog. Tank-Kreis und zugleich 'Sende-Antenne' fand sich in der Bastelkiste noch eine alte handgewickelte Spule von 3.1mH, die vor Jahrzehnten einmal für eine Lautsprecher-Frequenzweiche vorgesehen war. Zusammen mit einer 23.5nF-Kapazität war sie auf 17.2kHz in Resonanz zu bringen. Ähnliche Spulen hätten es genauso getan.
Die vom Oszillator kommende Spannung mit ca. 12Vss wird zunächst von einem CMOS-Teiler-IC CD4040 um den Faktor 16 heruntergeteilt. Als Leistungsstufe dient ein billiger MosFet BUZ11. Da Mosfets eine hohe Eingangskapazität haben, - in diesem Fall ca. 1.6nF - kann der CMOS-Teiler den MosFet nicht direkt ansteuern. Zwischen Teiler und MosFet ist deshalb noch ein komplementärer Emitterfolger vorgesehen. Die Diode D2 verhindert negative Gatespannungen. Der 10µF-Kondensator C10 und der 3k3-Widerstand R8 bewirken, daß der Mosfet gesperrt bleibt, wenn kein Oszillator-Signal anliegt. Der Widerstand R7 begrenzt den Strom durch die Diode bei negativen Halbwellen. Wie bei 'richtigen' Sende-Endstufen wird der Mosfet im C-Betrieb angesteuert. Hier allerdings mit dem heftigen Stromflußwinkel von annähernd 180°.
Für den Wicklungsteil L3 habe ich 30 Windungen 0.2CuL zusätzlich aufgebracht. Da ich die Zahl der ursprünglich vorhandenen Windungen nicht kannte, war das geschätzt. Der Arbeitswiderstand bei 17.2kHz sollte damit etwa 50 Ohm betragen. Wie sich dann herausstellte, hätte ich dafür noch einige Windungen mehr aufbringen müssen, wozu ich aber zu faul war. Als Ergebnis wird von der Schaltung mehr Leistung verbraucht als nötig.
Für die Grundfrequenz von 17.2kHz bildet der abgestimmte Tankkreis einen reellen Widerstand von 5...10kOhm. Durch die Ansteuerung in Klasse C enthält der Drainstrom jedoch starke Oberwellen. Für diese Frequenzen ist der Arbeitswiderstand komplex. Es können erhebliche Blindströme fließen. Bei einer professionell entwickelten Schaltung würde man diese berechnen und austesten. Bei einer Bastelschaltung, wo es nicht darauf ankommt, bestimmte Anforderungen zu erfüllen, ist es einfacher eine pauschale Lösung zu wählen. Der Widerstand R9 18-Ohm/7W in der Drain-Leitung begrenzt einfach den Drainstrom und gleicht damit auch die Fehlanpassung aus, die durch die zu geringe Windungszahl von L3 entsteht. Im Betrieb wird er recht heiß, ca. 60°. Die schlechte Energiebilanz spielt in diesem Fall aber keine große Rolle. Die in Serie liegende Diode D3 verhindert negative Spannungen am Drain.
Obwohl die Antennenspule mit pulsförmigem Strom erregt wird, ist die Spannung über dem Kreis praktisch sinusförmig. Der abgestimmte Kreis filtert die Oberschwingungen aus. Dadurch werden auch keine nennenswerten Oberwellen abgestrahlt. Die Spannung über der Spule bzw. dem Kondensator C11 erreicht hier einen Wert von ca. 250Vss. Mit einem kleinerem Widerstand R9 erreicht man auch Spannungen von etwa 500Vss. Mehr als 250Vss wollte ich der zarten Lackisolation aber nicht zumuten.
Die tatsächlich abgestrahlte Leistung (ERP) bleibt wegen der im Vergleich zur Wellenlänge mikroskopisch kleinen Antenne im µW- oder mW-Bereich. Die Reichweite beträgt bei mir gute 5m. Schaltnetzteile, die als Antenne das ganze Lichtnetz zur Verfügung haben, tun sich da leichter.... Das Ganze wird mit einem 16VDC-Steckernetzteil versorgt. Der aufgenommene Gesamtstrom liegt bei 350mA.
Zwischen Oszillator-Teil und Endstufe ist noch ein Schalter angebracht, der das Oszillatorsignal unterbricht. Er kann durch einen Taster überbrückt werden. Damit kann man den Sender testweise auch für Sekunden einschalten. Oder auch langsame Morsezeichen senden.
Im Test hat sich der Sender schon bewährt. Da meine beiden Empfänger in verschiedenen Räumen stehen kann ich den Sender in der Mitte aufstellen und mit beiden Empfängern gleichzeitig empfangen.
Die Frequenzstabilität entspricht nicht ganz den eingangs geäußerten Wünschen. Sie bleibt aber im kleineren Temperaturbereich von 20 +/-3°C im geforderten Rahmen vom +/-4Hz.
Sollte ich nochmal Zeit für eine Verbesserung finden, so ist ein Ersatz des LC-Oszillators durch einen Quarz angedacht. Es sollte sich eine runde Quarzfrequenz im Bereich von 8...16MHz finden lassen, die durch einen Mikrokontroller auf 17.2kHz +/-4Hz herunterteilbar ist mit Quarzstabilität. Geeignete Quarze gibt es ab 15 Cent/Stck, ein einfacher Kontroller ist schon für ca. 1 Euro erhältlich. Der Pferdefuß liegt in der Notwendigkeit, den Kontroller zu programmieren. In meiner Bastelkiste findet sich noch ein Programmieradapter für Atmel-Kontroller. Die AVR-Assembler-Kenntnisse von früher müßte ich allerdings auffrischen.
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qw123:...Sollte ich nochmal Zeit für eine Verbesserung finden, so ist ein Ersatz des LC-Oszillators durch einen Quarz angedacht. Es sollte sich eine runde Quarzfrequenz im Bereich von 8...16MHz finden lassen, die durch einen Mikrokontroller auf 17.2kHz +/-4Hz herunterteilbar ist mit Quarzstabilität. Geeignete Quarze gibt es ab 15 Cent/Stck, ein einfacher Kontroller ist schon für ca. 1 Euro erhältlich. Der Pferdefuß liegt in der Notwendigkeit, den Kontroller zu programmieren. In meiner Bastelkiste findet sich noch ein Programmieradapter für Atmel-Kontroller. Die AVR-Assembler-Kenntnisse von früher müßte ich allerdings auffrischen.
Hallo Heinz,
den uC als Teiler zu nehmen ist sicher möglich, eventuell auch ohne externen Quarz, sondern mit der internen Taktgenerierung. In beiden Fällen müsste man schauen ob die Genauigkeit von f Out hinreichend ist. Bei der Programmierung befürchte ich aber, dass man hier zum Erbsenzähler wird und Cyclen-genau sich in ASM etwas hinfriemeln müsste. Für solche Sachen wäre vielleicht ein DDS ala AD9835, AD9834 oder AD9832 besser und universeller (als Oszillator auch für andere Projekte bis in den KW-Bereich) geeignet. Diese Uralt-DDS Bausteine gibt es vom Hersteller noch als kostenlose Samples. Die Außenbeschaltung ist minimal. Die Ansteuerung erfolgt über I2C und ist in einer Hochsprache für den AVR in wenigen Minuten umgesetzt. Die min. Auflösung ist von der Masterclock abhängig und beträgt beim kleinen 9832 immerhin fMCLK /2^32, auch haben diese ICs gleich einen Modulationseingang was die Schaltung in TX-Richtung extrem einfach hält. Die Gesamtkosten für einen solchen universellen DDS- Oszillator dürften 5-10 Euro kaum überschreiten.
Ronn: Diese Uralt-DDS Bausteine gibt es vom Hersteller noch als kostenlose Samples.
danke für die Information. Ich werde mich mal bemühen, so ein 'kostenloses Sample' zu erhalten. Damit würde diese Lösung wieder in meinen Kostenrahmen fallen.
Das 'hinfriemeln' in Assembler stelle ich mir aber nicht ganz so schwierig vor. Die meisten Atmel-Controller haben zwei eingebaute Zähler, die unabhängig vom laufenden Programm taktgenau zählen. Beispielprogramme für die Frequenzteilung gibt es auch im Internet zu finden. Als Plan B bleibt diese Möglichkeit daher noch in der Schublade.
qw123:...Sollte ich nochmal Zeit für eine Verbesserung finden, so ist ein Ersatz des LC-Oszillators durch einen Quarz angedacht.
nächsten Sonntag ist wieder "Alexandersondagen" in Grimeton und traditionell wird an diesem Tag der SAQ-Sender dort aktiviert.
Vorsorglich hatte ich letzthin meine Empfangs-Geräte mal wieder eingesammelt und auf Funktion geprüft, darunter auch den "SAQ-Prüfsender". Nach so langer Zeit der Untätigkeit lag dessen Sendefrequenz - wohl aufgrund von Komponentenalterung oder Temperatureinwirkung - etwas außerhalb des gewünschten Toleranzbereichs von 17200 +/-4 Hz.
Ein Nachstellen ist zwar möglich aber immer umständlich. Eine quarzstabile Lösung für den Oszillator wäre doch der bessere Weg. Von den in den vorangehenden Postings angedachten Lösungen wäre das Herunterteilen einer Quarzoszillator-Frequenz in den Zielbereich 17200+/-4 Hz technisch gesehen die beste Wahl. Ein entsprechender Quarz sollte eine Frequenz haben, die ein geradzahliges Vielfaches einer Frequenz aus dem Zielbereich ist. Unter den angebotenen Billigquarzen war es mir aber trotz eifrigen Suchens nicht gelungen, einen solchen zu finden. Extra einen Quarz schleifen lassen ist zwar möglich, war mir aber zu teuer.
Die zweite angedachte Lösung, ein als kostenloses Sample angefordertes und entsprechend programmiertes DDS-IC (DDS = direct digital synthesis), läge zwar im Kostenrahmen, war mir aber unsympathisch. Derartige ICs sind, soweit ich sehen kann, nur in Form von vielpoligen SMD-ICs verfügbar, Kontaktabstand unter 1mm. Mit meiner zittrigen Säuferhand und meinem presbyopischen Augenlicht wäre es für mich eine unangenehme Aufgabe, einen solchen Chip einzubauen. Von vorangehenden Testaufbauten ganz zu schweigen.
Glücklicherweise bietet sich in diesem Fall eine ebensogute Alternative an. Komplette DDS-Bausteine enthalten normalerweise nicht viel mehr als einen Quarzoszillator und einen ausreichend leistungsfähigen Prozessor mit geeigneter Firmware. Schaut man sich die Aufgaben dieser Firmware an *), so stellt man fest, daß im vorliegenden Fall auf viele aufwendig zu programmierende Funktionen leicht verzichtet werden kann, z.B. auf sinusförmige Ausgangsspannung, beliebig einstellbare Ausgangsfrequenz etc. Beschränkt man sich auf das Notwendigste, so reduziert sich die gesamte Firmware im wesentlichen auf eine simple binäre Addition oder Subtraktion.
Nimmt man einen gängigen Mikrokontroller im DIP-Gehäuse und einen fertigen Quarzoszillator, beides zusammen für weniger als 2Euro erhältlich, so kommt man mit wenigen Zeilen einfachen Assemblercodes aus. Assembler ist hier vorzuziehen, da die Abarbeitung schnell gehen sollte. In meinem Fall bei einem ATTiny13A-Kontroller waren es gerade 13 Codezeilen. Man muß noch nicht einmal alles selbst programmieren. Im Internet kann man auch eine Fülle von passenden Codesequenzen als Vorbild finden, aus der man sich beim Programmieren bedienen kann. Wegen der hier erzeugten relativ niedrigen Ausgangs-Frequenz genügen solche kleinen Kontroller wie der ATTiny13 vollauf.
Die Schaltung gibt sich hardwaremäßig sehr bescheiden. Das täuscht natürlich etwas. Man muß die notwendige Infrastruktur für das Brennen des Programms noch hinzuzählen. Im Ernstfall geht aber auch das mit Hardware für weniger als 2 Euro, einen vorhandenen PC vorausgesetzt. Aufwendiger für denjenigen, der sich nicht im Umgang mit Mikrokontrollern schon auskennt, ist natürlich die notwendige Einarbeitung in dieses Gebiet.
Im Moment habe ich es noch nicht weiter gebracht als bis zu einem Steckbrett-Testaufbau. Siehe die folgenden Bilder. Bis zum "Alexandersondagen" hoffe ich aber, noch eine gelötete Version auf Streifenleiter-Platine fertigzustellen. Der Zähler in Bild2 zeigt die Periodendauer der Rechteckschwingung an in µsec mit 5 Stellen Genauigkeit. Das letzte Bild zeigt mein relativ einfaches Programm. Codezeilen sind nur solche, die nicht mit einem Satzzeichen beginnen. Alles andere sind im wesentlichen Kommentarzeilen, die keinen Code erzeugen und nur dem besseren Verständnis dienen.
qw123:...da die abgespeckte DDS-Technik auch für andere Vorhaben von Interesse sein könnte, gehe ich im folgenden Beitrag nochmal auf Einzelheiten ein.
wie man beobachten kann im Internet und anderswo, scheinen rein analog arbeitende Elektronikbastler langsam auszusterben. So kann es nicht schaden, sich auch im fortgeschrittenen Analog-Bastlerleben etwas mit der Technik der digitalen Signalverarbeitung zu beschäftigen. Speziell kleine Mikrokontroller eigenen sich in vielen Fällen dazu, die früher üblichen 'IC-Massengräber' zu ersetzen.
Das oben vorgestellte Beispiel für einen Quarz-Oszillator mit einstellbarer Frequenz scheint mir auch ein gutes Beispiel dafür zu sein, daß der Einstieg nicht allzu schwer ist.
Eine Analyse des kurzen Programms zeigt, was im Kern eigentlich geschieht: Nach den unvermeidlichen Eingangsfeierlichkeiten, mit denen der Kontroller auf seine Arbeit vorbereitet wird, läuft unermüdlich eine kurze Programmschleife ab (Label:DDS), die im wesentlichen zwei 4-Byte-Binärzahlen kontinuierlich voneinander abzieht. (Man könnte ebensogut addieren. Die Subtraktion ist programmtechnisch etwas einfacher. Auch die Länge der Summanden muß nicht unbedingt 4 Byte betragen. Das ist aber ein gebräuchlicher Wert.) Da der Kontroller mit einem Quarz-Takt von 10MHz betrieben wird und die Programmschleife gerade 10 Taktzyklen benötigt, wird also im 1MHz-Takt subtrahiert. Die Größe des Subtrahenden stellt man so ein, daß in einer Sekunde gerade 17200mal vom 4-Byte-Maximalwert (2^32 ~ 4.3E9) auf Null herunter subtrahiert wird. Mit dem beim Nulldurchgang entstehenden Zählerüberlauf wird weitergerechnet. Das MSB (most significant bit) des Subtraktions-Ergebnisses wechselt in einer dieser Subtraktionsperioden genau einmal von Eins auf Null und wieder zurück. Um eine Rechteckschwingung mit 17200Hz zu bekommen, muß man also nur noch das MSB an einem Pin des Kontrollers ausgeben. Dazu dient der Rest des Schleifencodes. Da diese Frequenz aus dem 10MHz-Quarzoszillator abgeleitet wird, hat sie die gleiche Langzeit-Stabilität wie dieser.
Hier zeigen sich aber auch die kleinen Nachteile des DDS-Verfahrens. Da man den Subtrahenden immer nur um eine ganze Zahl ändern kann, ist es nicht möglich, jede Frequenz exakt einzustellen. Es gibt nur ein Raster von möglichen Frequenzen. Man kann dieses Raster aber normalerweise so dicht wählen, daß die Abweichung von der gewünschten Frequenz vernachlässigbar ist. Im vorliegenden Fall berechnet sich der Abstand zwischen zwei benachbarten Raster-Frequenzen zu 1MHz/(2^32) ~ 0.23mHz.
Ein anderer Nachteil, der aus dem DDS-Prinzip resultiert, ist der, daß der Sprung des MSB nicht immer nach der gleichen Anzahl von Subtraktionen erfolgt. Diese Zahl kann um 1 schwanken, da der Subtrahend meist kein ganzzahliges Vielfaches des binären Maximalwertes ist (in diesem Fall = 2^32). Die Folge ist ein kleiner Phasenjitter. Dieser macht sich im Frequenzspektrum als Seitenbandrauschen bemerkbar. Im vorliegenden Fall ist der Effekt vernachlässigbar. Spürbar kann dieser Effekt dann werden, wenn ein DDS-Generator z.B. als Mischoszillator in einem Kurzwellenempfänger verwendet wird. Das oben zuerst angedachte Verfahren, eine Quarzfrequenz direkt herunterzuteilen, hätte diesen letzteren Nachteil nicht. Am Oszilloskop kann man diesen Effekt sehen, wenn man die Anstiegsflanken des Signals genauer beobachtet.
Etwa jede siebte Anstiegsflanke ist um 1µsec verschoben. Im zeitlichen Mittel ergibt sich aber die korrekte Frequenz von 17200 Hz. Der Zähler, der über viele Perioden mittelt, zeigt den korrekten Mittelwert an.
mit so einem Prozessor sollte es doch möglich sein, wenn er eine AD Wandereinheit besitzt, das Grimetonsignal direkt zu empfangen. Die Grenzfrequenz der Wandler liegt mit einigen Hundert kHz weit über dem was das Abtasttheorem vorschreibt.
RFTHeinz:mit so einem Prozessor sollte es doch möglich sein, wenn er eine AD Wandereinheit besitzt, das Grimetonsignal direkt zu empfangen...
Hallo RFTHeinz, der verwendete Kontroller ATTiny13A besitzt einen 10-Bit-ADWandler. Wahrscheinlich ist es auch möglich, damit eine Art SDR-Empfänger für SAQ zu bauen. Ob sich das lohnt, ist eine andere Frage. Ich vermute mal, daß selbst eine billige Soundkarte diesen Job besser erledigen könnte.
In diesem Beitrag ging es mir um etwas anderes. Soweit ich sehe, benutzt die überwiegende Mehrheit aller, die die SAQ-Signale empfangen, rein analog arbeitende Empfangsgeräte. Für diese war der Beitrag gedacht. Er sollte eine Hilfe bei der Einstellung des Empfängers geben.
hal:Kannst du noch ein Tip zum brennen des Programms geben?
Hallo Hal, das Brennen von Programmen ist ein weites Feld. Ich weiß jetzt nicht genau, wo ich anfangen soll. Der 'workflow' ist natürlich immer: 1. Schreiben des Programms 2. Assemblieren und 'debugging'. 3. Brennen der Brenncode-Datei. Es dürfte hunderte von gangbaren Wegen dafür geben. Je nach den individuell vorhandenen technischen Voraussetzungen sollte man sich einen geeigneten davon aussuchen. Informationen gibt es zuhauf im Internet, z.B. http://www.mikrocontroller.net.
Ich selber fahre zweigleisig. a) Für meinen Desktop-PC unter Windows7 benutze ich einen sog. USBASP-Adapter. Den kann man an eine USB-Schnittstelle anschließen. Der Adapter wiederum bedient eine sog. AVRISP-Schnittstelle, die auf einem 'Entwicklungsboard' mit dem Kontroller sitzt. siehe z.B. www.avr-asm-tutorial.net/avr_de/seminar2...eschreibung.pdf. Der Adapter wird von Windows-Brennprogrammen wie 'AVR-Burn-O-Mat' erkannt. Dieses Programm ist eine Grafik-Oberfläche für das darunterliegende Terminal-Programm 'avrdude'. Voraussetzung ist natürlich, daß man vorher mit einem anderen Programm den Code geschrieben hat. Ich benutze dazu meistens die alte Version 4 von 'AVR-Studio'. Die damit assemblierte Hex-Datei mit dem Brenn-Code wird dann vom Brennprogramm erkannt. Nicht Bestandteil des Programms aber auch wichtig, ist das Setzen eines sog. Fusebytes. Damit erkennt der Controller, daß er den externen Quarz als Taktgeber benutzen soll. Das Brennprogramm bietet diese Aktion an.
b) Der USBASP-Adapter kostet etwas, je nach Typ 10...20 Euro. Meinen findest Du im Internet, Suchwort 'Ulrich Radig'. Billiger geht es mit einer sog. Parallel-AVRISP-Schnittstelle. Diese besteht im einfachsten Fall nur aus einem SubD-Stecker und zwei Widerständen. siehe z.B. http://s-huehn.de/elektronik/avr-prog/avr-parallel.gif Meine sieht so aus:
sie enthält noch ein billiges 74ACT244-TTL-IC als Puffer zum Schutz des Rechners. Dafür benötige ich aber eine Parallelschnittstelle (etwas ähnliches gibt es für die serielle Schnittstelle). Die gibt es heute nicht mehr bei jedem PC. Seit Windows2000 ist sie auch nicht mehr unter einem Windows-Betriebssystem direkt ansprechbar, z.B. mit einem GW-Basic-Programm. Nur über eine windowseigene interne Software-Schnittstelle, die den gleichzeitigen Zugriff verschiedener Programme auf die Schnittstelle regelt. Das führt in vielen Fällen zu Problemen. Mit meinem alten Laptop unter W98SE habe ich diese Probleme nicht. Mit diesem Laptop brenne ich über die Parallel-AVRISP-Schnittstelle mit dem Programm 'ponyprog'. Programmentwicklung geht unter W98SE genauso wie unter W7. Mit dem Brennen unter Linux habe ich mich noch nicht befaßt. Geht aber natürlich auch.
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