Anten­nen­um­schal­ter – Teil 4 Inbetriebnahme

Nach­dem der fer­tig auf­ge­bau­te Anten­nen­um­schal­ter seit eini­gen Wochen auf die Instal­la­ti­on war­te­te, war gestern end­lich mal ein hal­ber Tag trocke­nes und schnee­frei­es Wet­ter. Es muß­te ja nicht ein­fach nur die neue Box an die Wand geschraubt und ver­ka­belt wer­den, son­dern das alte RG-213 Kabel soll­te vom Trans­cei­ver zum Anten­nen­um­schal­ter durch ein neu­es ECOFLEX-10 Kabel ersetzt wer­den. Gleich­zei­tig soll­te ein neu­es ECOFLEX-10 Kabel für die 2m/70cm/23cm-Anten­ne (SD 2000) ver­legt wer­den, weil die dem­nächst auf einen dreh­ba­ren Mast mon­tiert wer­den soll. Die Erd­lei­tung für den Anten­nen­um­schal­ter und ein wei­te­res ECO­FLEX-10-Kabel für die 2m/70cm Yagi­an­ten­ne wur­de auf den Ter­min in der Zukunft ver­scho­ben, an dem end­lich der Rotor instal­liert wird.

Nach der pro­be­wei­sen Instal­la­ti­on konn­ten nun erste Ver­su­che mit der ech­ten Anten­ne durch­ge­führt wer­den. Im Grun­de hat alles auf Anhieb funk­tio­niert, aber im Sen­de­be­trieb mit über 50 Watt Aus­gangs­lei­stung kam es zu Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­lern. Das Pro­zes­sor­board funk­tio­nier­te ohne Pro­ble­me, kein Auf­hän­gen der Soft­ware, kein Watch­dog-Reset und auch die Uhr lief pro­blem­los wei­ter. Der Betrieb mit einer künst­li­chen Anten­ne hat die Anzahl der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­ler übri­gens redu­ziert. Dar­aus schlie­ße ich auf Man­tel­wel­len bei der Lang­draht­an­ten­ne. Nach dem Abschal­ten des Sen­de­si­gnals war die Kom­mu­ni­ka­ti­on wie­der feh­ler­frei mög­lich. Die Ursa­che war schnell gefun­den: ich hat­te nicht abge­schirm­tes Flach­band­ka­bel für die Ver­drah­tung der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­steck­do­sen zum Board ver­wen­det und außer­dem die RS-485 Lei­tun­gen nicht HF-mäßig ent­kop­pelt, son­dern direkt an die Trei­ber angeschlossen.

Das muss­te geän­dert wer­den. Nun ist auf jeder der bei­den RS-485-Lei­tun­gen ein Tief­paß aus einem BLM21PG331 und einem 1 nF Kon­den­sa­tor direkt an den Pins zum Pro­zes­sor­board ein­ge­baut. Das Flach­band­ka­bel wur­de durch das­sel­be abge­schirm­te Kabel ersetzt, das auch zur Steue­rung zum PC hin ver­legt ist. Hier ist der neue Schalt­plan mit den Ände­run­gen und nach­fol­gend ein Foto der Verkabelung:

Neue Verkabelung der RS-485-Schnittstelle.
Neue Ver­ka­be­lung der RS-485-Schnitt­stel­le. Übersichtsfoto.

Die Tief­päs­se beschrän­ken natür­lich die Baud­ra­te. Tests haben erge­ben, daß 56 kBd noch funk­tio­nie­ren, 115 kBd aber nicht mehr. Nor­ma­ler­wei­se ver­wen­de ich 9600 Bd, was also deut­lich im grü­nen Bereich liegt.

Bei der Ver­ka­be­lung von Kom­mu­ni­ka­ti­ons­schnitt­stel­len stellt sich die Fra­ge, wie man es mit der Abschir­mung hält. Es kom­men immer wie­der Poten­ti­al­un­ter­schie­de auf bei­den Sei­ten der Ver­ka­be­lung vor und ein Strom­fluß auf der Abschir­mung soll­te ver­mie­den wer­den. Wenn die Schnitt­stel­le aber nicht (z.B. durch Opto­kopp­ler) poten­ti­al­ge­trennt ist, dann muß man eben doch dafür sor­gen, daß bei­de Sei­ten zumin­dest auf einem ähn­li­chen Poten­ti­al lie­gen. Klei­ne Poten­ti­al­un­ter­schie­de kön­nen die RS-485-Trans­cei­ver vertragen.

Ich habe das hier so gelöst, daß die Abschir­mung des Kabels zum PC auf der Sei­te des Anten­nen­schal­ters gegen Erde gelegt (grü­ne Lit­zen im Bild unten), auf der PC-Sei­te aber nicht ange­schlos­sen ist.

Neue Verkabelung der RS-485-Schnittstelle.
Neue Ver­ka­be­lung der RS-485-Schnitt­stel­le. Der Stecker zum Netzwerk.

Die Abschir­mung der Innen­ver­ka­be­lung liegt auf der digi­ta­len Mas­se des Antennenumschalters.

Neue Verkabelung der RS-485-Schnittstelle
Neue Ver­ka­be­lung der RS-485-Schnitt­stel­le. Der Stecker zum Antennenumschalter.

Damit ist also die Innen­ver­ka­be­lung auch nur auf einer Sei­te ange­schlos­sen. Bei­de Mas­se­lei­tun­gen sind über eine 15 µH Dros­sel HF-mäßig ent­kop­pelt, aber DC-mäßig ver­bun­den. Ob das der Weiß­heit letz­ter Schluß ist, bleibt abzu­war­ten. Bis­her funk­tio­niert es jeden­falls ohne Pro­ble­me und wei­te­re Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­ler sind auch beim Sen­de­be­trieb mit 100 Watt nicht mehr auf­ge­tre­ten. Das vor­ge­se­he­ne Abschirm­blech wur­de nicht mon­tiert, es geht auch so.

Der Anten­nen­um­schal­ter ist nun an der Außen­wand neben der Kabel­box mon­tiert und läuft nun im Pro­be­be­trieb. Bis­her ist nur eine Anten­ne ange­schlos­sen und das Erd­ka­bel fehlt noch:

Antennenumschalter fertig installiert
Anten­nen­um­schal­ter fer­tig installiert

Ich habe nun übri­gens das weit­ge­hend pin­kom­pa­ti­ble RS-485-Board mit dem ATMEGA644PA ein­ge­setzt. Es hat einen Tem­pe­ra­tur­sen­sor und eine Span­nungs­re­fe­renz. Damit kann man dann recht prä­zi­se die Betriebs­pa­ra­me­ter des Anten­nen­um­schal­ters messen.

Nach­fol­gend Fotos der bei­den Boxen ohne und mit Deckel:

Antennenumschalter neben der Kabelbox
Anten­nen­um­schal­ter neben der geöff­ne­ten Kabelbox

Antennenumschalter neben der Kabelbox
Anten­nen­um­schal­ter und Kabelbox

Damit soll die Beschrei­bung des Anten­nen­um­schal­ters enden, es sei denn, daß gra­vie­ren­de Din­ge im Betrieb auf­tre­ten. Dem­nächst wer­de ich aber noch die Betriebs­soft­ware auf bei­den Sei­ten, also auf dem RS-485-Board sowie auf dem PC beschreiben.

Hier sind Links zu den vor­he­ri­gen Tei­len die­ser Beschreibung:

Teil 1, Teil 2 und Teil 3.

ATMEGA644PA-AU Board

Nach­dem das vor einem hal­ben Jahr ent­wor­fe­ne I/O Board mit einem ATTINY1634 sehr gut funk­tio­niert, kam aber recht bald der Wunsch nach ein paar mehr I/O Ports auf. Das ATTI­NY-Board hat nur maxi­mal 15 ver­wend­ba­re Ports, die z.T. auch noch ander­wei­tig ver­wen­det wer­den. Wird die RS485 Schnitt­stel­le ver­wen­det, gehen dafür drei Ports ver­lo­ren, so daß dann nur noch 12 Ports ver­füg­bar sind. Für vie­le Anwen­dungs­fäl­le ist das mehr als genug, aber z.B. für den ange­dach­ten Bau eines fern­ge­steu­er­ten Anten­nen­tu­ners bräuch­te man schon an die 20 Ports, um je eine Kas­ka­de Kon­den­sa­to­ren und Spu­len umzuschalten.

Auf der Suche nach einem preis­wer­ten, gut ver­füg­ba­ren und nicht abge­kün­dig­ten Bau­stein fand ich den ATMEGA644PA-AU, der bei den bekann­ten chi­ne­si­schen Anbie­tern für etwa 1 € zu haben ist. Zudem hat­te ich frü­her schon­mal mit deren Vor­gän­gern etwas auf­ge­baut und Ein­zel­stücke des ATMEGA644V-10AU und des ATMEGA644-20AU lagen noch in der Kiste. Außer­dem hat der ATMEGA644 sehr viel mehr Spei­cher an Bord (64k Flash, 2k EEPROM und 4k RAM) und er kann bis 20 MHz getak­tet wer­den. Gleich­wohl sei gesagt, daß ich bis­her auch mit den hal­ben Res­sour­cen des ATTINY1634 aus­ge­kom­men bin. Aber scha­den kann’s nicht (nun­ja, etwas Strom kostet’s schon). Der 644-er hat ein 44-Pin QFP Gehäu­se und passt in den vom ATTI­NY-Board vor­ge­ge­be­nen Form­fak­tor. Damit kön­nen die Boards weit­ge­hend pin­kom­pa­ti­bel gestal­tet werden.

Also gleich mal ein neu­es Board ent­wor­fen und beim Lei­ter­plat­ten­her­stel­ler mei­nes Ver­trau­ens in Auf­trag gege­ben. So sieht es in der KiCad-Vor­schau aus:

ATMEGA644PA-Board
ATME­GA­644­PA-Board mit RS485 Schnitt­stel­le (Ansicht von oben)

ATMEGA644PA-Board
ATME­GA­644­PA-Board mit RS485 Schnitt­stel­le (Ansicht von unten)

Das Board ist nun etwas brei­ter gewor­den und hat zusätz­li­che Pins bekom­men. Es kann aber auf der vor­han­de­nen Test- und Pro­gram­mier­plat­form für den ATTINY1643 und auf den Anwen­dungs­boards ver­wen­det wer­den, sofern es wegen des Über­hangs mecha­nisch passt. Damit ich mir beim Rou­ten nicht die Fin­ger bre­che, habe ich die 4‑Lagen Mul­ti­lay­er Tech­nik gewählt. Beim ATTINY1634 kam ich mit zwei Lagen aus. Nach­fol­gend ein Foto meh­re­rer fer­tig bestück­ter ATTINY und ATMEGA Boards:

RS485 Boards
Meh­re­re bestück­te RS485 Boards, teils mit ATTINY1643 und teils mit ATMEGA644.

Hier ist der zuge­hö­ri­ge Schalt­plan. Im wesent­li­chen ist er vom ATTI­NY-Board über­nom­men, aber weil noch Platz auf der Pla­ti­ne ver­füg­bar war, habe ich ihr einen TMP275 Tem­pe­ra­tur­sen­sor spen­diert, der eine Genau­ig­keit von 0,5 K haben soll. Das wird frei­lich durch die Eigen­er­wär­mung des Boards etwas kon­ter­ka­riert. Gege­be­nen­falls muß die­se Eigen­er­wär­mung per Soft­ware kom­pen­siert wer­den oder das Board soll­te in einem der vie­len Strom­spar­mo­di betrie­ben wer­den. Die Idee ist, beim Außen­ein­satz z.B. als Anten­nen­um­schal­ter, auch gleich die Außen­tem­pe­ra­tur zu mes­sen. Außer­dem ist eine REF5025-Span­nungs­re­fe­renz ein­bau­bar, falls mal halb­wegs prä­zi­se Ana­log­span­nun­gen gemes­sen wer­den sollen.

Ver­suchs­wei­se habe ich auch mal einen Trim­mer für den Quarz vor­ge­se­hen. Die hier und auch auf ande­ren Boards ver­wen­de­ten Quar­ze sind für eine nomi­na­le Last­ka­pa­zi­tät von 12 pF spe­zi­fi­ziert. Das ist die Kapa­zi­tät, die dem Quarz par­al­lel­ge­schal­tet wer­den muß, damit er auf der Nomi­nal­fre­quenz schwingt. Da die bei­den obli­ga­to­ri­schen Kon­den­sa­to­ren (hier C1 und C4) in Serie geschal­tet sind, müss­te jeder von ihnen also 24 pF haben. Da ja auch wei­te­re Schalt­ka­pa­zi­tä­ten hin­zu­kom­men, habe ich in der Ver­gan­gen­heit meist 2 x 18 pF vor­ge­se­hen, was also 9 pF Last plus geschätz­ten 3 pF Schalt­ka­pa­zi­tät in der Sum­me zu etwa 12 pF füh­ren sollte.

Im Rah­men der ver­füg­ba­ren Meß­mög­lich­kei­ten war das bis­her prä­zi­se genug. Jetzt habe ich aber auf dem ATTI­NY-Board auch eine Uhr imple­men­tiert, die mit 2 x 18 pF Last­ka­pa­zi­tät am Tag bis zu einer Sekun­de nach­ging. Bei einem 12 MHz Quarz ent­spricht das einer um etwa 150 Hz zu nied­ri­gen Fre­quenz. Durch Aus­pro­bie­ren ver­schie­de­ner Wer­te habe ich her­aus­ge­fun­den, daß bei Kon­den­sa­to­ren von der Stan­ge 2 x 15 pF die gering­sten Abwei­chun­gen ver­ur­sa­chen. Bei Ver­su­chen mit einem 8 MHz, einem 11,059 MHz und einem 12 MHz Quarz erga­ben sich Abwei­chun­gen von etwa 50 Hz nach unten. 2 x 13 pF war wie­der deut­lich schlech­ter in die ande­re Rich­tung. Die ver­blei­ben­de Abwei­chung wird per Soft­ware kom­pen­siert, indem alle sound­so­vie­le Takt­zy­klen ein 10 ms Inter­vall ein­ge­scho­ben oder weg­ge­las­sen wird. Auf dem ATMEGA Board habe ich nun 2 x 12 pF vor­ge­se­hen und mit dem zusätz­li­chen Trim­mer soll dann die nomi­na­le Fre­quenz ein­ge­stellt werden.

Hin­rei­chend genaue Fre­quenz­mes­sun­gen mache ich übri­gens inzwi­schen mit dem IC-7300 Trans­cei­ver und der WSJT‑X Soft­ware. Die Fre­quenz­ba­sis des IC-7300 ist mit unter 0,5 PPM spe­zi­fi­ziert und damit etwa 10-mal so genau, wie der Quarz. Im CW-Modus wird die nomi­na­le Fre­quenz des Quar­zes ein­ge­stellt und dann soll­te der Mit­tel­punkt der Fre­quenz bei der ein­ge­stell­ten CW-Audio­fre­quenz sein. Abwei­chun­gen von weni­gen Hz sind deut­lich erkenn­bar. Hier ein Screen­shot des IC-7300 und das zuge­hö­ri­ge Spek­trum von WSJT‑X.

Screenshot des IC-7300
Screen­shot des IC-7300 bei 11,0592 MHz.

Screenshot WSJT-X
Screen­shot WSJT‑X bei einem ein­ge­stell­ten CW-Pitch von 700 Hz.

Mit dem Trim­mer wur­de hier die Fre­quenz auf den nomi­na­len Wert von 11,0592 MHz gezo­gen. An der WSJT‑X Dar­stel­lung sieht man, daß die tat­säch­li­che Fre­quenz eini­ge weni­ge Hertz höher liegt.