Artikel nieuwsbrief juni 2009 van de Benelux QRP club.

 

Universeel Si570 VFO

 

Als vervolg op het vorige artikel, nu een uitgewerkt concept van een universeel bruikbare oscillator als signaalgenerator en vfo.

Kan worden ge´ntegreerd in een eigen ontwerp, of compact gebouwd in een klein blikken doosje als universeel toepasbare oscillator.

 

 

 

 

De opzet:

 

In eerste instantie niet bedoeld als bouwset, maar als opzetje om zelf een eenvoudig en uitstekend vfo te maken of te integreren in een eigen ontwerp.

Wie er nog geen gericht doel voor heeft, raad ik aan om hem te bouwen in een standaard blikken doosje met een 50 ohm uitgang.

Dit geeft een uitstekende afscherming voor in en uitgaande storingen.

De CMOS uitvoering die tot 160 MHz gaat, is vooral geschikt om in de schakeling een diode mixer of rechtstreeks delers aan te sturen.

Voor het aansturen van een deler kan de uitgang van de Si570 direct verbonden worden met de klokingang van de deler.

De Si570 dan wel kort bij de deler plaatsen.

In alle andere gevallen is een breedband scheidingstrafo aan te bevelen.

Als universeel bruikbare oscillator vind ik de LVDS uitvoering het meest geschikt.

Deze heeft een symmetrische uitgang en is met een 2:1 trafo goed aan te passen op 50 Ohm.

Er komt dan een bescheiden signaal van 0,6 dbm uit, maar wel van 3,5 tot 280 MHz.

Er zijn ook nog een LVDS uitvoering die tot 810 en 945 MHz gaan.

 

De 160 MHz (CMOS) en 280 MHz (LVDS) uitvoering kosten minder dan 20 euro.

De 810 MHz uitvoering is soms verkrijgbaar voor ongeveer 45 euro.

 

De bouw:

 

Het aantal gebruikte onderdelen is zo gering, dat ik een gaatjes print met eilandjes gebruik.

De microcontroller is in een voetje geplaatst en de onderdelen en aansluitstekers verbonden met behulp van lakdraad.

Ikzelf gebruik een 14 pin persstekker voor standaard aansluiting van het LCD display en een 16 pin stekker voor de bediening.

Door de blikken doos op bandkabel breedte in te zagen en om te buigen, kan het deksel goed gesloten worden

 

 

 

 

Voor de scheidingstransformator kan een breedband ringkern gebruikt worden met slecht enkele wikkelingen getwist voor een goede koppeling op de hogere frequenties.

Als je met twee tot drie wikkelingen 8 tot 10 mH bereikt, is het kerntje uitstekend geschikt.

 

Als afstemknop wordt een goedkope mechanische rotary encoder gebruikt, deze exemplaren zijn weliswaar voorzien van klikje maar die zijn eenvoudig te verwijderen.

De encoders hebben 24 klikjes, maar naar verwijderen 4 X 24 dus 96 stapjes.

Over de encoder kontakten worden 0,1 uF condensators geplaatst.

Bij gebruik van een dure optische encoder kunnen die uiteraard vervallen.

Als bediening schakelaars gebruik ik exemplaren met een klikje.

Als wordt gekozen voor de bekende goedkope drukknopjes, kan het nodig zijn om ook hierover 0,1 uF condensators te plaatsen.

 

De Si570:

 

Deze is op een stukje printplaat ondersteboven geplaatst, zodat met zeer korte verbindingen kan worden aangesloten.

Een 1 nF SMD condensator wordt diagonaal tussen pen 3 en 6 van de Si570 gesoldeerd en van pen 6 naar het koperen aardvlak een ceramische condensator van 0,1 uF.

De Elco kan op grotere afstand op een geschikte plaats worden aangebracht.

Deze montagemethode maakt het mogelijk om het onderdeel ook weer eenvoudig te verwijderen.

Zorg er wel voor, dat het koperen grondvlak GEEN sluiting maakt met het doosje omdat anders de maximum voedingspanning van de Si570 wordt overschreden.

 

Let op dat de 470 uF elco beslist wordt aangebracht over de 3,3 Volt van de Si570.

De Si570 pas als laatste van voedingspanning voorzien, als alles verder goed werkt en is gecontroleerd.

Het is natuurlijk ook mogelijk een printje hiervoor te ontwerpen, de Si570 is dan wel moeilijker aan te brengen of te verwijderen.

Huug, pe0hhm heeft dit VFO gebouwd en gebruikt een eigen ontworpen printje hiervoor.

Hij gebruikt het programma sprint lay-out 5.0 , Huug heeft verschillende geschikte printontwerpen gemaakt.

 

 

De Schakeling:

 

 

 

De schakeling ziet er misschien wat vreemd uit, maar dit is een bewuste keuze.

Het is altijd lastig onderdelen met verschillende voedingspanning te combineren, je kunt ook de microcontroller 3,3 volt laten open.

Je hebt dan een 3,3 volt LCD scherm nodig en indien te verkrijgen, is dit niet aantrekkelijk.

Goedkope LCD schermpjes zijn op markten volop verkrijgbaar en allemaal 5 volt.

 

Omdat er maar een I2C schakeling aan de bus hangt, is de originele schakeling met pull-up weerstanden niet nodig.

In de eerste proefuitvoering is dit wel gebruikt, het verschil tussen 5 en 3.3 Volt werkte in eerste instantie redelijk met gesimuleerd open collector uitgangen op de microcontroller.

Maar terugmelding vanaf de Si570 werkte heel onbetrouwbaar of helemaal niet.

Met slechts een onderdeel op de I2C bus is terugmelding niet echt nodig, maar controle van de goede werking is dan ook niet mogelijk.

Deze schakeling zorgt voor een goede aanpassing tussen de onderdelen en de genegeerde I2C terugmelding geeft door de serieweerstand geen problemen.

Twee siliciumdiodes in serie met de 5 Volt, zorgen er voor dan de voedingspanning van de Si570 binnen de specificaties blijft.

 

De Si570 trekt ongeveer 100 mA uit de 3.3 Volt voedingspanning, wat betekend dat er ruim driehonderd milliwatt wordt omgezet in warmte.

Bij het koud opstarten geeft dit de eerst minuten een uitgangsignaal dat begint ongeveer 5 ppm te hoog en dan volgens een natuurlijke logaritmische kromme naar de werkfrequentie.

Dit wordt softwarematig redelijk gecompenseerd, maar omgevingstemperatuur schommelingen hebben nog een geringe invloed op de opgewekte frequentie.

Wel is het verstandig, om de 5 Volt stabilisator zo ver mogelijk van de Si570 af te monteren.

Verder de toegevoerde voedingspanning niet te ruim te nemen.

 

Preselectie:

 

De 4 bit uitgang geeft 16 mogelijkheden, voor frequentie gebieden beginnende met 12 amateurbanden van 136 KHz tot de 70 cm band.

Verder nog: < 1,8 MHz // > 1,8 < 30 MHz // > 30 < 180 MHz // > 180 MHz indien deze niet binnen de amateurbanden vallen.

 

 

Bediening:

 

Bediening vindt plaats met behulp van 4 druktoetsen en een afstemknop.

Met de < en > toets kan de cursor verplaats worden van de 1 Hz t/m 10 MHz decade voor de afstemsnelheid.

Met de ESC toets worden de cijfers rechts van de cursor op nul gezet.

Met de MEM toets wordt de actuele frequentie opgeslagen als default waarde bij het inschakelen.

 

Mode keuze:

 

Er zijn vier ingangen voor gebruiksmode keuze, deze zijn net als alle andere ingangen voorzien van inwendige pull-up weerstanden en dus actief laag.

Dit zijn:

  1. AM/FM of signaalgenerator
  2. CW/SSB
  3. LSB/USB
  4. LOCK

De uitlezing blijft hierbij onveranderd, maar de uitgang frequentie wordt gecorrigeerd.

De mode wordt aangegeven op het display.

 

Kalibreren:

 

Omdat de interne kristalklok van de Si570 niet te be´nvloeden is en ook een grote spreiding bestaat tussen verschillende exemplaren, moet elke Si570 gekalibreerd worden.

Dit kan eenvoudig op elke frequentie plaats vinden, door na de frequentie keuze in de configuratiemode de uitgang frequentie kloppend te maken en het resultaat op te slaan in de interne EEPROM.

 

Configuratie:

 

De volgende waarden kunnen geconfigureerd worden:

 

  1. Een middenfrequent offset van 0 tot 100 MHz
  2. Een vermenigvuldigfactor van 1/2/4/8 voor de uitgang frequentie.
  3. De maximum uitgang frequentie afhankelijk van de toepassing en de gebruikte Si570 uitvoering.
  4. De minimum frequentie, indien voor een toepassing hoger dan 3,5 MHz gewenst is.
  5. Het gebruikte I2C adres van de Si570 (hex50/hex55).
  6. Het wissen van de EEPROM

 

Ondanks alle voorzorg maatregelen, blijft het opslaan van gegevens in de EEPROM het meest kwetsbare van een microcontroller.

Indien onverhoopt de EEPROM data verminkt raakt, moet deze gewist kunnen worden en komt alles weer terug op de default waarde.

Uiteraard moet dan behalve het configureren ook de kalibreer procedure weer worden uitgevoerd.

 

De software:

 

Het programma bevindt zich na het opstarten in een snelle lus, de functietoetsen en afstemknop worden constant afgetast.

Bij verandering wordt de bediening opdracht uitgevoerd en elke verandering van de afstemknop leid tot het geheel opnieuw berekenen van de Si570 instelling, aanpassen van de uitlezing en via I2C de Si570 opnieuw programmeren.

Eerst wordt afhankelijk van de afstemsnelheid en draairichting de frequentie gecorrigeerd.

De frequentie is een 32 bit binair getal dat vervolgens moet worden omgerekend naar 9 BCD getallen voor het LCD scherm.

Deze BCD cijfers staan ook in het RAM geheugen en alleen de cijfers die veranderd zijn worden in de LCD gelezen.

Dit omdat een LCD scherm relatief traag is en het controleren of er echt geschreven moet worden maar een fractie van de tijd kost dan het schrijven naar de LCD.

Nu de uitlezing is aangepast, moet de frequentie natuurlijk nog echt worden aangepast, en dat is een ingewikkelde klus.

Eerst moet de gekozen gebruikers mode AM/LSB/USB/CW gecorrigeerd worden.

Vervolgens de MF frequentie er bij worden opgeteld. (0 tot 100 MHz) en de uitkomst van dit alles nog worden vermenigvuldigd met de ingestelde vermenigvuldig factor (1/2/4/8).

Nu pas is de echte frequentie die uit het VFO moet komen bekend.

De eerste keer wordt in een tabel opgezocht wat de meest geschikte deeltallen zijn die bij de frequentie horen.

Als die zijn gevonden, moeten deze deeltallen met elkaar worden vermenigvuldigd en de uitkomst weer met de op te wekken frequentie.

Deze uitkomst levert de VCO frequentie op tussen 4850 en 5670 MHz.

Dit moet nog gedeel worden door de referentie frequentie om het deeltal voor de synthesizer te verkrijgen.

Om de omrekensnelheid te vergroten is de referentie frequentie omgezet naar 2^48/referentie.

Nu kan in plaats van een deling vermenigvuldigd worden, dit is mogelijk door vermenigvuldig instructies die in de ATMEGA8 zijn ge´ntegreerd.

De uitkomst is een vier bytes getal waarvan de eerste byte tussen 42 en 49.

Overige drie bytes dus 24 bit is het getal achter de komma,dus het gedeelte van de referentie.

Deze referentie bedraagt ongeveer 114,285 MHz de kleinste afstemstap op de VCO frequentie bedraagt dus 114.282.000 Hz / 2^24 = 6,81 Hz.

Zelfs bij de hoogste op te wekken frequentie (845 MHz) is het nadeeltal 6 dus de stappen nog 6,81/6 = 1,135 Hz.

De werkelijke definitie van de Si570 is veel hoger, maar dit wordt niet benut.

Dit was even een theoretische zijsprong, we gaan nu verder in het programma.

Het vier bytes resultaat moet nu omgezet in een geschikte vorm om via de I2C interface de Si570 ingeschoven te worden.

Nog iets vergeten, bij elke verandering van de Si570 instelling moet worden gecontroleerd of het afstemgebied van 3500 ppm niet is overschreden, in dat geval moet er eenmalig een andere manier van programmeren worden toegepast.

Teven moet worden gecontroleerd of de grens van het VCO niet is bereikt, in dat geval moet de deeltaltabel worden verhoogt of verlaagt waardoor de nieuwe VCO frequentie weer netje binnen het VCO bereik valt.

Bij dit ontwerp werkt de microcontroller op 8 MHz interne oscillator en kunnen 8 miljoen instructies per seconde verwerkt worden.

Samen met een efficiŰnt geschreven programma, kunnen er meer dan 600 berekeningen per seconde uitgevoerd worden.

Dat zijn meer dan 600 afstemstappen per seconde, wat voor de meeste toepassingen snel genoeg is.

Dit alles vraagt ongeveer 2000 programmaregels in assembler, er blijven dus nog 2000 regels over voor de configuratie en bediening software.

 

Het ligt in de bedoeling het aantal geheugens uit te breiden, hoe dit moet en hoe de bediening daarvan moet zijn is nog niet duidelijk.

Ook kan het zijn dat voortschrijdend inzicht en opmerkingen van gebruikers software aanpassingen nodig maken.

Als deze uitbreidingen gerealiseerd zijn, kan zonder enige hardware aanpassing een

Opnieuw geprogrammeerde controller in het IC voet geplaatst worden.

á

 

Slotopmerking:

 

Enkele amateurs in Nederland en Duitsland hebben de schakeling al nagebouwd en daarbij gemerkt dat het programmeren van de ATMEGA8 en ook het juist instellen van de fuse bits problemen kan geven.

Mede om deze rede heb ik besloten om alleen geprogrammeerde controllers beschikbaar te stellen.

Een uitgebreide gebruik en configureer handleiding áis uiteraard beschikbaar voor ge´nteresseerden.

 

De Si570 is per stuk te bestellen bij: http://www.box73.de

Voor nadere informatie over printontwerpen: hwchoek@hetnet.nl

 

Andere vragen of informatie, graag een mailtje aan mij.

 

Ton Blokker

 

Pa0klt@amsat.org