Artikel nieuwsbrief september 2002 van de QRP club.

 

QRP-AFSTEMSYSTEEM

met microcontroller als DDS

door PAÆKLT

 

Enige jaren geleden ben ik gestart met experimenten op het gebied van een DDS in een afstemschakeling. Dit werkte heel goed. Ik heb toen ontdekt dat het eindresultaat grotendeels wordt bepaald door de VCO en de faselus. Bij het gebruik van een DDS-IC is ook een microcontroller noodzakelijk voor de besturing. Hierom heb ik me 'noodgedwongen' ook opnieuw in assembly code moeten verdiepen.

Dit artikel gaat over de ontwikkeling van mijn afstemsysteem. Aan het slot wordt het eindresultaat met een gebruiksvoorbeeld beschreven.

 

De voorgeschiedenis

Ik gebruik de DDS net als in de schakeling van PAÆKSB als referentie voor een frequentievermenigvuldiging. De faselus werkt dan tevens als clean-up filter. Ik heb me afgevraagd of het echt nodig is een DDS-IC te gebruiken voor het opwekken van een referentiesignaal, omdat bij deze toepassing de frequentie over het algemeen lager dan 100 kHz is, veel lager dan de maximale frequentie die het dure DDS-IC kan opwekken.

In het verleden zijn er al door PAÆKSB en anderen proefschakelingen gebouwd met digitale IC's die een DDS-signaal opwekken, maar dat vroeg een heleboel IC's en de resultaten waren niet erg bevredigend.

In Elektuur van november 1998 stond een artikel over het opwekken van frequenties met een numerieke controlled oscillator door middel van een softwarelus. Ik werd hierop attent gemaakt door een amateur uit het oosten van het land, van wie ik de call helaas niet meer weet.

Ondanks de eerste indruk dat dit idee niet bruikbaar was, ben ik hier toch over na gaan denken en heb die gedachten ook met Klaas PAÆKSB gedeeld. Deze gedachten en het gesprek met Klaas hebben mij doen besluiten er tòch serieus onderzoek naar te verrichten.

 

Fig. 1  Blokschema van het afstemsysteem. De geprogrammeerde microcontroller is een AT90S2313 van Atmel.

Ik gebruikte toen al een snelle microcontroller van Atmel die tot over de twaalf miljoen instructies per seconde kan verwerken. Met deze controller had ik een rekenlus gemaakt van tien machinecycles, 32 bits breed, waarvan de laatste 8 bits naar buiten gebracht werden. Deze 8 bits werden met een weerstandnetwerk omgezet in een analoge spanning, die een zaagtandvorm had. Dit signaal werd als referentie gebruikt in een synthesizer, maar het resultaat was slecht, omdat de jitter op de neergaande flank niet goed weg te filteren was.

Op advies van Klaas heb ik het zaagtandvormige signaal softwarematig omgevormd tot een driehoek. Hierdoor werd de samplefrequentie weliswaar gehalveerd, maar achter het laagdoorlaatfilter ontstond een op een sinus gelijkend signaal, dat als referentie een veel beter resultaat gaf in een afstemsysteem. De resultaten hiervan waren zo hoopgevend, dat ik verder ben gegaan met de ontwikkeling.

Een groot probleem was dat tijdens het afstemmen de rekenlus werd onderbroken, waardoor een ernstige storing ontstond. Verdere bestudering van de gebruikte controller gaf mij de mogelijkheid met behulp van een sinustabel geen driehoek maar sinuswaarden naar buiten te brengen, hetgeen tevens een verdubbeling van de samplefrequentie opleverde.

 

Eindelijk succes!

Na een gedachtenwisseling met Henk PAÆHZP, en veel proberen, is het mij uiteindelijk gelukt zonder snelheidsverlies een volkomen stille afstemming te verwezenlijken.

Het momentele eindresultaat geeft een sinus tot over de 100 kHz met een 32 bits definitie, waardoor ook bij een grote vermenigvuldiging zeer kleine afstemstappen gemaakt kunnen worden. Het principeschema van het afstemsysteem ziet u in figuur 1.

 

Even een rekenvoorbeeld:

Ik gebruik een TCXO van 12,8 MHz. Dit geeft een sample (DDS)-frequentie van 12,8 MHz :10 = 1,28 MHz. De kleinste stappen zijn dan (1,28 x 106 Hz) : 232 = 0,000298 Hz. In het voorbeeld is het deeltal 1024, dus de kleinste afstemstappen bedragen: 0,000298 Hz x 1024 = 0,31 Hz. Deze stappen kunnen door de gebruiker op elk veelvoud hiervan worden afgesteld.

 

Ik was oorspronkelijk sceptisch of het referentiesignaal schoon genoeg zou zijn voor CW- en SSB-toepassingen. Na veel experimenten is echter gebleken dat de resultaten hoofdzakelijk worden bepaald door de VCO en de faselus.

Verder heb ik bij alle proeven zowel een echt DDS-IC als een kristaltrein ingezet als referentie; de resultaten waren in alle gevallen gelijk.

 

Fig. 2  DDS referentiegenerator 0 - 100 kHz

 

 

 

We moeten ons hierbij wel bedenken dat een faselus zeer smal is en alleen ongeregeldheden, die zeer dicht bij het referentiesignaal liggen, doorlaat.

 

Het eindresultaat

In figuur 2 ziet u het complete aansluitschema van de referentiegenerator met zijn bediening. Het uitgangssignaal is in stappen van 0,0003 Hz instelbaar tussen 0 en 100 kHz.

Even de belangrijkste eigenschappen op een rijtje:

·       universele referentiesinus voor synthesizerafstemming

·       drie afstemsnelheden

 

Fig. 3  Voorbeeld van een afstemsysteem met de DDS als referentie

 

 

 

·       zestien geheugens met last in / first out stack

·       minimum en maximum frequentie door de gebruiker te programmeren

·       de drie afstemsnelheden aanpasbaar aan rotary encoder en persoonlijke voorkeur

·       eenvoudige bediening

·       kleinste afstemstappen programmeerbaar tot 0,0003 Hz per afstempuls

·       zeer geschikt als afstemsysteem met PLL en frequentievermenigvuldiging

·       te gebruiken met kristal of TCXO voor grotere frequentiestabiliteit

·       low cost / single chip / geen SMD (20 pens DIL) geprogrammeerde microcontroller

·       richtprijs geprogrammerde microcontroller incl. uitgebreide info en zestien 1% weerstanden: € 25 (medio september beschikbaar).

 

Een praktisch afstemsysteem

Figuur 3 toont een voorbeeld van een afstemsysteem, dat bestuurd wordt door het uitgangssignaal van de hierboven beschreven referentiegenerator.

Gebruik géén 74HCT4049, deze is voor deze schakeling niet geschikt en geeft ook jitter.

De 74HCT9046 wordt 'misbruikt' op 10 V, maar omdat ik alleen de fasevergelijker gebruik, en bovendien nog ver onder de maximale snelheid, werkt dit goed. Deze spanning maakt het mogelijk om zonder spanningversterking een redelijk VCO-bereik te verwezenlijken.

Als varicap is de BB212 heel geschikt om een groot VCO-bereik te realiseren bij een lage spanning.

Het transistorpaar BC547 / 557 zorgt ervoor dat de elco van 470 µF zeer snel wordt geladen / ontladen zonder dat de stabiliteit van de regellus wordt aangetast. Deze schakeling zonder extra versterking is erg stabiel en beter na te bouwen dan een schakeling met een operationele versterker.

De 74HCU04 bestaat uit zes NIET gebufferde inverters met een kleine versterking, die een grote uitgangsspanning geven (1,5 V top-top over 50 W) tot ongeveer 80 MHz.

 

Voor vragen of opmerkingen: PAÆKLT@amsat.org.

 

73, Ton