Neue CPU- und Relaistreiber-Boards

Nach­dem ich mich im ver­gan­ge­nen hal­ben oder drei­vier­tel Jahr mit dem Erwerb und Auf­bau einer neu­en CNC-Frä­se (eine Sor­otec BL1005) und der dazu­ge­hö­ri­gen Steue­rung beschäf­tigt habe, muss­te ich end­lich mal wie­der „etwas elek­tro­ni­sches“ machen. Die Frä­se läuft inzwi­schen, aber es fehlt noch drin­gend eine Umhau­sung und eine Min­der­men­gen­schmie­rung ins­be­son­de­re zum Frä­sen von Alu­mi­ni­um. Da steht noch eini­ges an Arbeit an. Aber das ist ein ganz ande­res The­ma, das ich gele­gent­lich auch noch beschrei­ben werde.

Für einen dem­nächst geplan­ten neu­en Anten­nen­tu­ner sol­len mehr als 16 bista­bi­le Relais ange­steu­ert wer­den. Das erfor­dert einen erwei­ter­ten Relais­trei­ber. Und wo wir schon dabei sind, kann auch das CPU-Board einen Update ver­tra­gen. Nötig gewe­sen wäre der aller­dings nicht.

Relais­trei­ber V1.2

Das alte Relais­trei­ber Board funk­tio­niert ein­wand­frei, hat aber nur vier high-side Trei­ber und acht low-side Trei­ber. Damit las­sen sich bei ent­spre­chen­dem Mul­ti­plex­ing bis zu 32 Relais­spu­len trei­ben. Beim Ein­satz bista­bi­ler Relais mit jeweils zwei Spu­len redu­ziert sich das dann aller­dings auf maxi­mal 16 Relais. Das reicht für einen Anten­nen­tu­ner mit acht geschal­te­ten Kon­den­sa­to­ren und acht geschal­te­ten Spu­len aus, aber sobald man auch nur die Kon­fi­gu­ra­ti­on zwi­schen L‑C und C‑L umschal­ten will, feht min­de­stens ein Relais. Daher habe ich ein neu­es Relais­trei­ber Board mit dop­pel­ter Anzahl an high-side Aus­gän­gen gebaut. Damit kön­nen nun bis zu 32 bista­bi­le Relais ange­steu­ert werden.

Durch die Aus­wahl einer vier­la­gi­gen Lei­ter­plat­te, den Ein­satz kleinst­mög­li­cher Gehäu­se­bau­for­men und Aus­nut­zung der Design-Regeln konn­ten fast alle Bau­tei­le auf einer Sei­te plat­ziert wer­den. Für Wider­stän­de und Kon­den­sa­to­ren wur­de fast durch­ge­hend die 0402 Packungs­grö­ße gewählt, ein ULN2803 low-side Trei­ber mit acht Kanä­len kommt im QFN-Gehäu­se zum Ein­satz. Kein Pro­blem bei auto­ma­ti­scher Bestückung. Wegen des Platz­ge­winns konn­te nun zusätz­lich noch ein 5 V‑Fest­span­nungs-Schalt­reg­ler ein­ge­baut wer­den. Es ist ein TI Simp­leS­wit­cher vom Typ LMR50410, der bis zu 36 V Ein­gangs­span­nung ver­trägt. Wegen der not­wen­di­gen Span­nungs­fe­stig­keit wur­den an des­sen Ein­gang etwas grö­ße­re Kon­den­sa­to­ren der Bau­form 0603 ein­ge­setzt. Die tat­säch­lich ver­wen­de­te Ein­gangs­span­nung wird 24 V nicht über­stei­gen. Daher wur­de eine SMBJ28A TVS-Schutz­di­ode ein­ge­baut, die zusam­men mit einer Siche­rung vor Span­nungs­spit­zen und Ver­po­lung schützt.

Durch den ULN2803 auf der auto­ma­tisch bestück­ten Sei­te bleibt nun auf der Gegen­sei­te genug Platz für zwei high-side Trei­ber vom Typ BTS724G, die dann aber hän­disch auf­ge­lö­tet wer­den müs­sen. Bei 50 mil Pin-pitch ist das kein Pro­blem. Außer­dem müs­sen die Prüf­pins und die Stift- und Sockel­lei­sten von Hand gelö­tet werden.

Hier nun die 3D-Ansich­ten von bei­den Sei­ten, der Schalt­plan im PDF-For­mat und die KiCad-Dateien.

Für die Spei­cher­dros­sel L33 und die Siche­rung F1 ist lei­der z.Zt. kein 3D-Modell vor­han­den, sie sind aber bestückt.

ATMEGA644PA CPU-Board V1.2

Auch das ATMEGA644PA-CPU Board V1.1 habe ich über­ar­bei­tet. Die­ses Board hat zwar auch zuver­läs­sig funk­tio­niert, aber die Bestückung von Hand ist doch müh­sam und feh­ler­an­fäl­lig. Außer­dem hat es den klei­nen Nach­teil, daß es mit einem Line­ar-Fest­span­nungs­reg­ler bestückt ist, der nur bis zu 18 V Ein­gangs­span­nung ver­trägt (abs max). Für die ursprüng­lich geplan­ten maxi­mal 12 V ist das völ­lig aus­rei­chend, aber inzwi­schen kam der Wunsch auf, auch 24 V Ein­gangs­span­nun­gen zu ver­wen­den und wenn mög­lich sogar mehr. Selbst die 12 V erzeu­gen eine unnö­ti­ge Ver­lust­lei­stung von 350 mW, wenn die CPU 50 mA Strom zieht. Das ist zwar kei­ne Lei­stung, die signi­fi­kant auf die Strom­rech­nung durch­schlägt, sich aber doch bei Dau­er­be­trieb doch auf immer­hin 3 kWh im Jahr auf­sum­miert. Das kostet bei den aktu­el­len Strom­prei­sen mehr als 1 € pro Jahr. Wer hät­te das gedacht?

Den­noch, das grö­ße­re Pro­blem ist die Erwär­mung des Boards und dadurch eine Ver­fäl­schung der Tem­pe­ra­tur­mes­sung. Es muss­te also wie beim Relais­trei­ber ein Schalt­reg­ler her. Hier fiel die Wahl auf einen ein­stell­ba­ren Schalt­reg­ler, den LMR16006YQ. Auch das ist ein Simp­leS­wit­cher von Texas Instru­ments, der im Bau­tei­le­ar­se­nal von JLCPCB als „Exten­ded Com­po­nent“ gegen einen ein­ma­li­gen Auf­preis zur Ver­fü­gung steht. Er ver­trägt sogar bis zu 60 V Ein­gangs­span­nung und kann durch exter­ne Beschal­tung mit pas­sen­den Wider­stän­den den gesam­ten Betriebs­span­nungs­be­reich des ATMEGA644PA von 1,8 V bis 5,0 V abdecken. Er lie­fert einen Aus­gangs­strom von bis zu 600 mA.

Hier die KiCad 3D-Ansicht des Boards:

der Schalt­plan als PDF-Datei:

und die KiCad Designfiles:

Das Wider­stands­netz­werk des Schalt­reg­lers ist so dimen­sio­niert, daß eine Aus­gangs­span­nung von 5 V erzeugt wird. Durch optio­na­le Bestückung eines wei­te­ren Wider­stands auf der Ober­sei­te der Pla­ti­ne, kann eine nied­ri­ge­re Aus­gangs­span­nung von bei­spiels­wei­se 3,3 V erzeugt wer­den. Es wur­de ein 18,432 MHz Quarz ein­ge­baut, der die Aus­wahl aller Stan­dard-Baud­ra­ten gestat­tet und auch eine exak­te 1ms- und 10ms-Inter­rupt-Peri­ode erzeugt. Das ist für den Erhalt von Datum und Uhr­zeit wichtig.

Betriebs­span­nun­gen und Einschränkungen

Alle ver­bau­ten Kom­po­nen­ten kön­nen mit Betriebs­span­nun­gen zwi­schen 3.0 V und 5.5 V betrie­ben wer­den. Bei Betriebs­span­nun­gen unter­halb von 3.0 V ist die Funk­ti­on des MAX14783 RS485-Trans­cei­vers nicht mehr gewähr­lei­stet. Unter­halb von 2.7 V sind auch der Tem­pe­ra­tur­sen­sor TMP275 und die Span­nungs­re­fe­renz REF5025 außer­halb ihrer Spe­zi­fi­ka­ti­on. Der Mikro­con­trol­ler kann zwi­schen 2.7 V und 5.5 V mit 10 MHz Takt­fre­quenz betrie­ben wer­den, ab 4.5 V mit bis zu 20 MHz. Sein full-swing Quarz­os­zil­la­tor arbei­tet von 2.7 V bis 5.5 V bis 20 MHz. Der ein­ge­bau­te 18,432 MHz Quarz funk­tio­niert also sowohl bei 3,3 V als auch 5.0 V nomi­na­ler Betriebs­span­nung. Unter­halb von 4,5 V muß dann aber die Takt­fre­quenz über die CLKDIV8 Fuse auf ein Ach­tel davon ein­ge­stellt wer­den. Die CPU läuft dann mit 2,304 MHz los und kann anschlie­ßend durch Schrei­ben des Clock Pre­s­ca­le Regi­sters CLKPR auf einen Tei­lungs­fak­tor von 2 ein­ge­stellt wer­den. Damit kann das Board bei 3.3 V mit 9,216 MHz betrie­ben werden.

Betriebs­span­nungATMEGA64418,432 MHz OszillatorMAX14783TMP275REF5025
1,8 V ~ 2,7 V
inter­nal osc, max 4 MHz
2,7 V ~ 3,0 V
Clk÷2
3,0 V ~ 4,5 V
Clk÷2
4,5 V ~ 5,5 V
Ein­schrän­kun­gen bei ver­schie­de­nen Betriebsspannungen

Der Con­trol­ler funk­tio­niert ab 1.8 V, dann aber nur mit maxi­mal 4 MHz Takt­fre­quenz und einer ande­ren Takt­quel­le als dem full-swing Oszil­la­tor. Das kann bei­spiels­wei­se einer der inter­nen Oszil­la­to­ren sein.

Ein­stel­len der Betriebsspannung

Die Aus­gangs­span­nung des Schalt­reg­lers wird durch das Wider­stands­netz­werk R6||R9 und R8 ein­ge­stellt. Auf dem Board ist R6 mit 56 kΩ bestückt, R8 mit 10 kΩ und R9 ist unbe­stückt. In der nach­fol­gen­den Glei­chung wer­den die par­al­lel­ge­schal­te­ten Wider­stän­de R6 und R9 als RA bezeich­net und UA ist die gewünsch­te Aus­gangs­span­nung. Dann ist RA fol­gen­der­ma­ßen zu wählen:

RA = ((UA * R8) / 0,765) – R8
oder
RA = ((UA * 10.000) / 0,765) – 10.000

Unter die­sen Bedin­gun­gen errech­net sich R9 zu:

R9 = R6 * RA / (R6 – RA)
oder
R9 = 56.000 * RA / (56.000 – RA)

Solan­ge R9 unbe­stückt bleibt, errech­net sich eine Betriebs­span­nung von 5.0 V. Für eine Betriebs­span­nung von 3.3 V muß R9 mit einem 82 kΩ Wider­stand bestückt werden.

Strom­auf­nah­me

Die Strom­auf­nah­me des gesam­ten CPU-Boards liegt bei höch­stens 50 mA. Der Schalt­reg­ler wur­de daher für etwa 100 mA aus­ge­legt, was auch noch die Ver­sor­gung eines spar­sa­men exter­nen Boards ermög­licht. Der Schalt­reg­ler kann bis zu 600 mA lie­fern. Falls deut­lich mehr Strom als 100 mA benö­tigt wird, soll­te eine wei­te­re Spei­cher­dros­sel auf L5 bestückt wer­den. Sie ist zur ein­ge­bau­ten Spei­cher­dros­sel par­al­lel­ge­schal­tet. Zur Berech­nung ihrer Induk­ti­vi­tät soll­te das Daten­blatt zu Rate gezo­gen wer­den. Eine Grö­ßen­ord­nung von 10 ~ 22 µH ist ein guter Anhalts­punkt. Der Schalt­reg­ler wird übri­gens mit 2,1 MHz getaktet.

Bat­te­rie­be­trieb

Das Board kann mit einer Stütz­bat­te­rie betrie­ben wer­den, die die Span­nungs­ver­sor­gung bei Netz­aus­fall über­nimmt. Für die­sen Fall muß R1 ent­fernt und die Dop­pel­schott­ky­di­ode D3 auf der Ober­sei­te bestückt wer­den. Die Bat­te­rie­span­nung darf nicht höher als die Ver­sor­gungs­span­nung sein. Es ist zu beach­ten, daß die Ver­sor­gungs­span­nung aller Kom­po­nen­ten in die­sem Fall um die Dioden­span­nung von 0,3 ~ 0,5 V sinkt.

Was gibt’s neues?

Lei­der gab es seit ein paar Mona­ten kei­ne Updates mehr in die­sem Blog, das wer­de ich nun nach­ho­len. Im Som­mer war viel an unse­rem Haus zu tun, wir haben das Gar­ten­haus fer­tig­ge­stellt und auch im Haus gab und gibt es noch so eini­ge Bau­stel­len. Meist klei­ne Din­ge, die nicht drin­gend sind, aber doch bela­sten, weil man sie immer vor sich her­schiebt. Zwi­schen­durch hat­te ich immer wie­der etwas Zeit, um eine Lei­ter­plat­te zu desi­gnen oder Soft­ware zu schrei­ben, ohne mir aber die Zeit zu neh­men, die­se Din­ge in die­sem Blog zu beschrei­ben. Hier nun eine kur­ze Zusammenfassung.

ATMEGA644 V1.1

Nach­dem das mit der Fer­ti­gung und Bestückung des Relais­trei­bers in Chi­na so gut funk­tio­niert hat, habe ich auch das ATMEGA644 Board noch­mal auf­ge­legt und zehn Stück davon fer­ti­gen und teil­be­stücken las­sen. Es spart doch eine Men­ge Arbeit, wenn wenig­stens das Vogel­fut­ter schon­mal drauf ist und man nur noch die „makro­sko­pi­schen Bau­tei­le“ von Hand bestücken muß.

Ich habe die Schal­tung mini­mal geän­dert, es wur­den zwei optio­na­le Schott­ky-Dioden vor­ge­se­hen, damit man dem Board ein Bat­te­rie-Back­up spen­die­ren kann und es wur­den zwei zusätz­li­che Stütz­kon­den­sa­to­ren für den Pro­zes­sor hin­zu­ge­fügt. Der hat jetzt an jedem sei­ner drei VCC-Pins einen eige­nen Stütz­kon­den­sa­tor. Kann nichts scha­den, kostet kein Geld (eini­ge mil­li-Cent) und bei 0402-er Bau­form ist auch der Platz­be­darf zu ver­nach­läs­si­gen. Den Trimm­kon­den­sa­tor am Quarz habe ich weg­ge­las­sen, der war sowie­so nur expe­ri­men­tell auf einem ein­zi­gen Board auf­ge­lö­tet. Außer­dem habe ich eine Mög­lich­keit vor­ge­se­hen, den Span­nungs­reg­ler etwas zu küh­len. Es sind zwei Boh­run­gen vor­han­den, in die ein Flach­stecker als Kühl­fah­ne ein­ge­lö­tet wer­den kann. Not­wen­dig ist die­se Küh­lung nicht, aber es hat sich beim Anten­nen­um­schal­ter und beim Tuner gezeigt, daß die Tem­pe­ra­tur der Pla­ti­ne im Betrieb um ein paar Grad ange­ho­ben wird und damit die Tem­pe­ra­tur­mes­sung ver­fälscht wird. Hier nun der Voll­stän­dig­keit hal­ber die 3D-Ansich­ten der neu­en Pla­ti­ne und der Schaltplan.

Zuge­ge­ben, die Kühl­fah­ne sieht etwas gewöh­nungs­be­dürf­tig aus, aber man muß sie ja nicht bestücken. Zudem kann man sie vor dem Ein­lö­ten seit­lich weg­bie­gen oder auch auf der Unter­sei­te bestücken. Sie kann natür­lich auch durch irgend­ein ande­res pas­sen­des Blech ersetzt werden.

Fre­quenz­zäh­ler

Pas­send zum oben beschrie­be­nen CPU-Board habe ich einen Fre­quenz­zäh­ler gebaut. Hier zunächst mal die 3D-Ansichten:

Auf der Ober­sei­te sieht man links das auf­ge­steck­te CPU-Board und dane­ben das Intel (Alte­ra) CPLD, in dem der Zäh­ler und das CPU-Inter­face imple­men­tiert sind. Rechts sind zwei SMA-Buch­sen ange­bracht, über die das zu mes­sen­de Signal und die Refe­renz­fre­quenz ein­ge­speist wer­den. Ganz links sieht man die Buch­se für die Span­nungs­ver­sor­gung und dar­über die Klemm­lei­ste für das RS485-Inter­face. Um das CPLD her­um sind Stift­lei­sten ange­bracht, auf die die nicht ver­wen­de­ten CPLD-Pins geführt sind. Damit ist das Board auch für ande­re Zwecke ver­wend­bar. Die Schal­ter­stel­lun­gen des vier­po­li­gen DIP-Schal­ters kön­nen von der CPU ein­ge­le­sen wer­den und die acht LEDs am obe­ren Rand kön­nen per Soft­ware ein- und aus­ge­schal­tet wer­den. Die bei­den zehn­po­li­gen Stift­lei­sten am obe­ren Rand der Pla­ti­ne die­nen zum Pro­gram­mie­ren der CPU und des CPLDs. Hier ist nun der Schaltplan:

Der Fre­quenz­zäh­ler funk­tio­niert inzwi­schen sehr gut. Die Simu­la­ti­on ergibt eine Grenz­fre­quenz von 120 MHz für die Refe­renz- und die Meß­fre­quenz. Den Zäh­ler wer­de ich spä­ter in vor­aus­sicht­lich meh­re­ren Bei­trä­gen detail­lier­ter beschrei­ben. Dazu gehört dann der in Ver­i­log geschrie­be­ne CPLD-Code, die Soft­ware für das CPU-Board und die Host Soft­ware für einen Win­dows-PC. Außer­dem lohnt es, die Aus­wer­tung einer Meß­rei­he mit Libre­of­fice genau­er anzu­schau­en. Viel­leicht fan­ge ich sogar damit an, auch wenn es die chro­no­lo­gisch fal­sche Rei­hen­fol­ge ist.

Pro­gram­mier- und Debugboard

Wo ich gera­de so schön am Desi­gnen war und sowie­so eine Bestel­lung in Chi­na plan­te, habe ich auch noch ein klei­nes Pro­gram­mier- und Debug­board für das ATME­GA644-CPU-Board ent­wickelt. Es dient dazu, Pro­gram­me auf das CPU-Board zu pro­gram­mie­ren und auch zu testen. Der ATMEGA644 hat meh­re­re Schnitt­stel­len, unter ande­rem die SPI Schnitt­stel­le zum Pro­gram­mie­ren des Flash-Spei­chers und des EEPROMs und die JTAG-Schnitt­stel­le, die dar­über­hin­aus auch zum Debug­gen ver­wen­det wer­den kann.

Auf dem Board sind außer­dem ein paar Taster und LEDs ange­bracht, damit auf ein­fa­che Wei­se ohne Emu­la­tor ein paar Ein- und Aus­ga­be­mög­lich­kei­ten zu haben. Auf die SMA-Buch­se kann der System­takt aus­ge­ge­ben wer­den, um sei­ne Fre­quenz bei­spiels­wei­se mit dem oben gezeig­ten Fre­quenz­zäh­ler bei unter­schied­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren zu messen.

Der Schalt­plan zeigt kei­ne Beson­der­hei­ten, die erklä­rungs­be­dürf­tig wären.

Anten­nen­tu­ner, Teil 2

Nach der Beschrei­bung im ersten Teil wur­de nun mit KiCad eine Lei­ter­plat­te für den Anten­nen­tu­ner ent­wor­fen. Das vor­ge­se­he­ne Gehäu­se, ein RND 455–00150, gibt den Form­fak­tor der Lei­ter­plat­te vor, sie ist 210 mm breit und 100 mm hoch. Hier ist der Schalt­plan (PDF) und hier die KiCad 3D-Vor­schau von oben und unten:

Spu­len und Con­trol­ler sind auf der Ober­sei­te mon­tiert, Relais und Kon­den­sa­to­ren auf der Unter­sei­te. Um die Schalt­ka­pa­zi­tä­ten nied­rig zu hal­ten, ist die Pla­ti­ne auf ein­sei­tig beschich­te­tem Lei­ter­plat­ten­ma­te­ri­al gefräst. Die oben gezeig­ten Lei­ter­bah­nen auf der Relais­sei­te, wer­den durch Dräh­te realisiert.

Der Con­trol­ler wird von einem WB 375530 Weiß­blech­ge­häu­se (37 mm x 55 mm x 30 mm) gegen Ein­strah­lun­gen durch benach­bar­te Spu­len abgeschirmt.

Da sie auf der Lei­ter­bahn­sei­te mon­tiert wer­den ist da Löten des Mit­tel­pins der SMA Buch­se und des GND-Test­pads etwas erklä­rungs­be­dürf­tig: hier wird vor dem Bestücken eine 0,5 mm² Ade­rend­hül­se (1,4 mm Außen­durch­mes­ser) auf der Lei­ter­bahn­sei­te fest­ge­lö­tet und nach dem Bestücken des Bau­teils von unten verlötet.

Der prak­ti­sche Aufbau

Die Lei­ter­plat­te ist schnell gefräst, mit Stahl­wol­le ent­gra­tet und poliert und vor dem Bestücken mit Löt­lack überzogen. 

Leiterplatte Antennentuner
Lei­ter­plat­te für den Anten­nen­tu­ner und die fer­tig gewickel­ten Spu­len, hier noch mit den SMA-Testbuchsen.

Zum Gewähr­lei­sten der Form­sta­bi­li­tät sind die grö­ße­ren Spu­len mit pas­send gefrä­sten und ange­kleb­ten Sprei­zern aus Hart-PVC fixiert. Jetzt kann die Lei­ter­plat­te bestückt, gete­stet und in das vor­ge­se­he­ne Gehäu­se ein­ge­baut wer­den. Nach­fol­gend ein paar Fotos kurz vor der Mon­ta­ge am Mast:

Auf den ersten bei­den Fotos ist das Weiß­blech­ge­häu­se zu sehen, das den Con­trol­ler abschirmt. Es ist mit einem Abstand von etwa 1 mm über der Lei­ter­plat­te mon­tiert. Die Lei­ter­plat­te ist an den Kan­ten der Abschir­mung mit hit­ze­be­stän­di­gem Kap­ton­band abge­klebt. Es ist nicht wirk­lich nötig, ich habe es vor der Inbe­trieb­nah­me wie­der abge­zo­gen. Der Deckel des Weiß­blech­ge­häu­ses ist nur lose aufgesteckt.

Wie beim Anten­nen­um­schal­ter ist auch hier beim Tuner der Kom­mu­ni­ka­ti­ons-Anschluß dop­pelt aus­ge­legt. Der RS-485 Stan­dard sieht vor, daß alle Bus­teil­neh­mer hin­ter­ein­an­der­ge­schal­tet wer­den und der Letz­te am Strang einen Abschluß­wi­der­stand bekommt. Bei­de Buch­sen sind gleich­be­rech­tigt. An einer der Buch­sen wird das Kabel zum vor­he­ri­gen Teil­neh­mer bzw. zum Host-PC ange­schlos­sen, die ande­re Buch­se erhält das Kabel zum näch­sten Teil­neh­mer oder einen Ter­mi­nie­rungs­stecker mit einem 120 Ω Abschlußwiderstand.

Die Lei­ter­plat­te des Tun­ers ist übri­gens auf einer 1 mm dicken Alu­plat­te mon­tiert, die im Gehäu­se fest­ge­schraubt ist. Sie ist auf die­sen Fotos nicht zu sehen, da sie vom Tuner ver­deckt wird. Das wet­ter­fe­ste Gehäu­se mit dem Tuner wird auf einer pas­send gefrä­sten PVC-Plat­te mon­tiert, die mit Klem­men an den Anten­nen­mast geschraubt wird.

Erste Ver­su­che auf dem Bastel­tisch ver­lie­fen erfolg­reich. Statt einer Anten­ne wur­de ein 2 kΩ Abschluß­wi­der­stand ein­ge­lö­tet und die Impe­danz mit einem vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor gemes­sen. Es gelang für alle Ama­teur­funk­bän­der eine Anpas­sung auf ein SWR bes­ser als 2 zu errei­chen. Das Ziel, ein SWR bes­ser als 3, wird damit über­trof­fen. Den Rest über­nimmt der Anten­nen­tu­ner im Transceiver.

Das PC-Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­gramm wur­de so erwei­tert, daß der Tuner damit zunächst mal pro­vi­so­risch ein­stell­bar ist:

Man kann jeweils die Spu­len- und Kon­den­sa­tor­kas­ka­den in Stu­fen von 0 bis 63 ein­stel­len und die­se Paa­re dann auch als benam­te vor­de­fi­nier­te Wer­te abspei­chern, so daß sie schnell abruf­bar sind. Dabei hat sich gezeigt, daß es Dis­kon­ti­nui­tä­ten gibt, beson­ders bei den Spu­len, die Ein­stel­lun­gen ver­lau­fen nicht ganz mono­ton. Das scheint aber kein Pro­blem zu sein, es ließ sich immer eine pas­sen­de Ein­stel­lung finden.

Inzwi­schen ist der Tuner am Anten­nen­mast mon­tiert und speist einen 20m lan­gen Draht:

Auf dem lin­ken Foto sieht man, wie der Anten­nen­draht und die Erde des Anten­nen­masts ange­schlos­sen sind. Sie sind jeweils über was­ser­dich­te Kabel­ver­schrau­bun­gen nach außen geführt. Das rech­te Foto zeigt den Anschluß an den Anten­nen­draht mit Hil­fe einer Draht­seil­klem­me. Als Gegen­ge­wicht für die end­ge­spei­ste Anten­ne dient der geer­de­te Antennenmast.

Da die­se Kon­struk­ti­on ohne Balun nicht nach Lehr­buch aus­ge­führt ist, habe ich in der Anten­nen­lei­tung zunächst pro­vi­so­risch eine Man­tel­wel­len­sper­re aus RG58 Koax­ka­bel auf einem FT240-43 Ring­kern eingebaut.

Erste Ver­su­che sind sehr ermu­ti­gend. Auch hier mit der rea­len Anten­ne lässt sich für jedes Kurz­wel­len­band, inklu­si­ve der WARC-Bän­der (außer 160m), eine Ein­stel­lung fin­den, mit der das SWR unter 3 liegt, meist sogar unter 2. Der im Trans­cei­ver ein­ge­bau­te Anten­nen­tu­ner bringt dann das SWR auf idea­le Wer­te um 1.

Eini­ge erfolg­rei­che FT8 QSOs auf unter­schied­li­chen Bän­dern zei­gen, daß auch ein hin­rei­chen­der Anteil der ein­ge­spei­sten HF-Ener­gie in Rich­tung Iono­sphä­re abge­strahlt wird und nicht (nur) die benach­bar­ten Kirsch­lor­beer­sträu­cher erwärmt. Ech­te Dau­er­tests ste­hen noch aus, aber bis­her haben sich auf ver­schie­de­nen Bän­dern auch bei 100 Watt Aus­gangs­lei­stung nach einer Minu­te kei­ne Auf­fäl­lig­kei­ten gezeigt. Auch der Con­trol­ler und die Kom­mu­ni­ka­ti­on zum Host-PC blie­ben bis­her von die­ser Aus­gangs­lei­stung unbeeindruckt.

RS-485 Kom­mu­ni­ka­ti­ons­soft­ware

Hier soll nun kurz die Soft­ware beschrie­ben wer­den, über die ein Win­dows PC mit den Bus­teil­neh­mern über RS-485 kom­mu­ni­ziert. Es wur­de das freie und weit ver­brei­te­te Mod­bus-RTU-Pro­to­koll ver­wen­det. Es ist gut doku­men­tiert, wegen Pari­ty und 16-bit CRC hin­rei­chend feh­ler­re­si­stent und es gibt mit QMod­Ma­ster ein frei­es Win­dows-Pro­gramm, das bei der Imple­men­tie­rung und Feh­ler­su­che sehr hilf­reich ist. Sowohl für den Win­dows-PC wie auch für das Ardui­no Bio­top gibt es fer­ti­ge Software.

Vor­be­mer­kun­gen

Mit Ardui­no habe ich selbst nichts zu tun, ein­fach weil es das noch nicht gab, als ich zum ersten­mal mit Atmel Bau­stei­nen gear­bei­tet habe. Gele­gent­lich wer­de ich mir das mal anschau­en. Die Mod­bus-Biblio­thek für Win­dows habe ich mir einen hal­ben Tag lang ange­schaut und sie nicht zum Lau­fen bekom­men. Sie ist sicher gut und kann alles, aber die paar Funk­tio­nen die ich brau­che, habe ich dann doch sel­ber geschrie­ben. Das schien mir schnel­ler zu gehen, zumal die Funk­tio­nen auf der Gegen­sei­te, dem Atmel Bau­stein, schon fer­tig war und sich nicht grund­sätz­lich unter­schei­det. Damit ist nun die kom­plet­te Soft­ware sowohl auf der Host- wie auf der Device-Sei­te selbst­ge­schrie­ben und kann hier ohne Ein­schrän­kun­gen im Quell­text ver­öf­fent­licht werden:

Quell­text der Host-Software

Quell­text der Device-Soft­ware für den ATMEGA644PU

Wer will, kann bei­des ger­ne unein­ge­schränkt wei­ter­be­nut­zen, eine Garan­tie für die feh­ler­freie Funk­ti­on gibt’s natür­lich nicht. Es sind sicher­lich hier und da noch Feh­ler ein­ge­baut. Außer­dem ist nur ein Sub­set des Mod­bus-Pro­to­kolls imple­men­tiert, auch die eine oder ande­re Funk­ti­on, die in der Spec als „man­da­to­ry“ bezeich­net wird, ist nicht vor­han­den (z.T. imple­men­tiert, aber aus­kom­men­tiert da ungetestet).

Als Ent­wick­lungs­um­ge­bung für Atmel ver­wen­de ich „Atmel Stu­dio 7.0“, für Win­dows „VS Express 2013“. Bei­de Ver­sio­nen sind etwas älter, Atmel gehört inzwi­schen zu Micro­chip, und von VS Express gibt es neue­re Ver­sio­nen, die aber nicht mehr mit Win­dows 7 lau­fen, son­dern Win­dows 10 benö­ti­gen. Soll­te ich jemals auf Win 10 umstei­gen, wer­de ich mir eine neue­re Ver­si­on besor­gen. Es gibt im Moment für mich kei­nen Grund zum Umsteigen.

Bei­de Pro­gram­me sind sehr spe­zi­fisch für mei­nen Anwen­dungs­fall geschrie­ben, daher habe ich auch kei­ne aus­führ­ba­re Datei bei­gefügt. Die Quell­tex­te sol­len als Muster die­nen, wie man es machen kann, aber nicht muß. Das Win­dows Pro­gramm mag gleich­zei­tig als Bei­spiel die­nen, wie man die seri­el­le Schnitt­stel­le mit Win­dows-Funk­tio­nen bedient.

Alle Pro­gram­me sind in ANSI‑C geschrie­ben, der ATMEGA nutzt ein paar win­zi­ge Assem­bler-Funk­tio­nen. Für Win­dows wird ledig­lich das Win32-API ver­wen­det und ResEdit als Res­sour­cen Edi­tor, weil die kosten­lo­se Ver­si­on von VS Express zumin­dest bis 2013 kei­nen Res­sour­cen Edi­tor dabei hatte.

Host-Soft­ware

Ganz phan­ta­sie­los habe ich die Host-Soft­ware Ser­Com genannt. Da zur Zeit nur der Anten­nen­um­schal­ter ange­schlos­sen ist, ist dies der erste Tab, der nach dem Start ange­zeigt wird:

Tab Antennenumschalter
Die Bedie­nung des Antennenumschalters

Hier wird ledig­lich eine der bis zu sechs Anten­nen aus­ge­wählt. Die Namen sind in der Regi­stry kon­fi­gu­rier­bar und oben nur Bei­spiel ohne rea­le Bedeu­tung. Die momen­tan akti­ve Anten­ne wird mit dem Icon ange­zeigt, nur eine kann zu einem Zeit­punkt aktiv sein. Port Sta­tus ist eigent­lich eine ver­zicht­ba­re Dia­gno­se­mel­dung. Hier wird der phy­si­ka­li­sche Sta­tus des Ports A ange­zeigt, der die Relais ansteu­ert. Die bei­den Tabs „Rotor“ und „Anten­nen­tu­ner“ sind leer und hier nur Platz­hal­ter für zukünf­ti­ge Steue­run­gen, die am sel­ben Bus hän­gen sollen.

Mit dem Con­fig-Tab wird einer der Bus­teil­neh­mer konfiguriert:

SerCom Config
Ser­Com Config

Beim Start ohne Para­me­ter wer­den hier die Kon­fi­gu­ra­ti­ons­da­ten des PCs und des aus­ge­wähl­ten Devices ange­zeigt, also Baud­ra­te, Device ID und ver­wen­de­ter COM-Port. Wird Ser­Comm mit dem Par­am­ter „-c“ gestar­tet, läuft es im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus und die hier dun­kel geschal­te­ten Fel­der wer­den weiß und kön­nen geän­dert wer­den. In die­sem Tab wird ein Zäh­ler gezeigt, der angibt, wie oft das EEPROM pro­gram­miert wur­de, denn die Anzahl der Pro­gram­mier­zy­klen ist end­lich (aller­dings wer­den min­de­stens 100k-Zyklen garantiert).

Auch eine Uhr ist imple­men­tiert, deren Datum und Uhr­zeit hier gesetzt und aus­ge­le­sen wer­den kön­nen. Mit dem Wert bei „RTC cor­rec­tion“ kann im Con­fig-Modus ein Kor­rek­tur­wert ein­ge­ge­ben wer­den, mit dem eine Fre­quenz­ab­wei­chung des Quar­zes für die Uhr­zeit kom­pen­siert wird. Mit „Restart Device“ wird auf dem Device ein Watch­dog Reset pro­vo­ziert, also ein ech­ter Hard­ware-Reset. „Refresh“ liest die ange­zeig­ten Daten erneut aus dem Device aus.

Der Dia­gno­se-Tab zeigt eini­ge Daten an, die etwas über den Gesund­heits­zu­stand des Devices aussagen:

SerCom Diagnose
Ser­Com Diagnose

Zunächst wird der Typ des Moduls, sei­ne Takt­fre­quenz und die Ver­si­on der imple­men­tier­ten Soft­ware ange­zeigt. Ver­schie­de­ne Zäh­ler zei­gen dann die Anzahl der unter­schied­li­chen Resets, die Anzahl feh­ler­frei emp­fan­ge­ner eige­ner und frem­der Nach­rich­ten und die Anzahl von Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­lern an. Auch die Ver­sor­gungs­span­nung und die Tem­pe­ra­tur auf der Device-Sei­te wer­den ange­zeigt. Trotz des nur etwa 30mA gro­ßen Ver­sor­gungs­stroms erwärmt sich das Board merk­lich. Nun­ja, bei 12V sind es ja auch immer­hin 360 mW. Der Tem­pe­ra­tur­sen­sor (TMP275) hat übri­gens eine Genau­ig­keit von 0.5 K und 116 K Auf­lö­sung. Daß drei Stel­len hin­ter dem Kom­ma ange­zeigt wer­den, deu­tet eine höhe­re Genau­ig­keit an.

Außer­dem wer­den die Namen und Zeit­stem­pel der Quell­da­tei­en und der Zeit­punkt des Com­pi­ler­laufs ange­zeigt. Auch hier lässt sich mit der Refresh-Taste der ange­zeig­te Inhalt erneu­ern. Durch Anklicken der „Con­ti­nuous“ Check­box wird der Refresh dau­er­haft aus­ge­führt. Das ist für Dau­er­tests hilf­reich. Ein über Nacht aus­ge­führ­ter Dau­er­test brach­te kei­nen ein­zi­gen Feh­ler her­vor. Daß die Feh­ler­zäh­ler funk­tio­nie­ren, zeig­te aller­dings ein erster Test mit 100 W HF auf dem Antennenumschalter.

Seit eini­gen Tagen und Näch­ten ist die Soft­ware im Ein­satz und hat sich bewährt. Für das Inter­face zwi­schen dem USB-RS485-Wand­ler und dem Bus habe ich auch zum Ein­kop­peln der 12V Ver­sor­gungs­span­nung eine klei­ne Box gebaut:

RS485-PC-Box
RS485 PC-Inter­face Box.

Sie fügt noch­mal klei­ne Tief­päs­se in die Kom­mu­ni­ka­ti­ons­lei­tung ein und ent­stört die Ver­sor­gungs­span­nung eines exter­nen Stecker­netz­teils. Das Gehäu­se ist übri­gens ein sehr preis­wer­tes Euro­box-Gehäu­se, das ich auch für ande­re Din­ge ger­ne verwende.

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.

Anten­nen­um­schal­ter – Teil 3 Gehäu­se­ein­bau und Abschlußmessungen

Der Anten­nen­um­schal­ter ist nun in ein wet­ter­fe­stes Gehäu­se ein­ge­baut, alle Anschlüs­se sind ver­ka­belt und so kön­nen nun die Abschluß­tests vor­be­rei­tet und durch­ge­führt werden.

Antennenumschalter im Gehäuse 3
Anten­nen­um­schal­ter im Gehäu­se – die Unterseite.

Links im Bild sind die sechs SO239 UHF Aus­gangs­buch­sen zu sehen, an die die Anten­nen ange­schlos­sen wer­den, rechts dane­ben die Buch­se, die zum Trans­cei­ver führt. Für die RS-485-Schnitt­stel­le sind zwei glei­che und par­al­lel­ge­schal­te­te Buch­sen vor­ge­se­hen. Eine davon dient als Ein­gangs­buch­se und ist mit dem PC ver­bun­den, die ande­re ist die Aus­gangs­buch­se, an die wei­te­re Steu­er­ge­rä­te ange­schlos­sen wer­den kön­nen. Ich habe mich für 6‑polige wet­ter­fe­ste (IP67) Quick­lock-Stecker und Kupp­lun­gen ent­schie­den, die einen sehr robu­sten Ein­druck machen. Nicht bil­lig, aber preiswert!

RS-485 (genau genom­men EIA-485) erlaubt den Anschluß von min­de­stens 32, mit spe­zi­el­len Trei­bern (die hier auch ein­ge­setzt sind) sogar bis zu 256 Bus­teil­neh­mern. Das letz­te Gerät in der Ket­te muß einen Abschluß­wi­der­stand bekom­men, damit Refle­xio­nen mini­miert wer­den. Dazu dient der oben nur schlecht zu sehen­de Abschluß­stecker mit ein­ge­bau­tem 120 Ω Wider­stand. Die Kabel­durch­füh­rung an der rech­ten Unter­sei­te ist für ein Erdungs­ka­bel vorgesehen.

Antennenumschalter im Gehäuse 1
Anten­nen­um­schal­ter im wet­ter­fe­sten Gehäuse

Die­ses Foto zeigt den Innen­auf­bau. Der Anten­nen­um­schal­ter ist auf ein 1 mm dickes geer­de­tes Alu­blech mon­tiert. Mit Hil­fe von Abstands­bol­zen kann ein zwei­tes Blech die­ser Art über dem Anten­nen­um­schal­ter auf­ge­schraubt wer­den. Das kann dann als Abschir­mung in der ande­ren Rich­tung und gleich­zei­tig als Trä­ger für wei­te­re Lei­ter­plat­ten die­nen, wie z.B. einen WSPR Sender.

Antennenumschalter im Gehäuse 2
Anten­nen­um­schal­ter im Gehäu­se – die Ver­ka­be­lung der UHF-Buchsen.

Hier ist die Ver­ka­be­lung der Buch­sen zu sehen. Die RG58-Kabel sind einer­seits an die SO239-Buch­sen gecrimpt, ande­rer­seits an die gewin­kel­ten SMA-Steck­ver­bin­der. Das gefrä­ste Alu­blech, das als Scha­blo­ne für das Boh­ren der Gehäu­se­durch­brü­che dien­te, ist auf der Innen­sei­te des Gehäu­ses mit den Buch­sen ver­schraubt. Das gibt noch etwas zusätz­li­che mecha­ni­sche Sta­bi­li­tät, wäre aber ver­mut­lich nicht unbe­dingt notwendig.

Die Abschluß­mes­sun­gen

Nach­dem der Anten­nen­um­schal­ter nun im Gehäu­se ein­ge­baut ist und die end­gül­ti­gen Buch­sen bekom­men hat, müs­sen die in Teil 2 duch­ge­führ­ten Mes­sun­gen noch­mal wie­der­holt wer­den. Das nach­fol­gen­de Foto zeigt den Meß­auf­bau mit dem ange­schlos­se­nen Netzwerk-Analysator.

Antennenumschalter im Gehäuse, Meßaufbau
Anten­nen­um­schal­ter im Gehäu­se. Auf­bau zum Mes­sen der Durch­gangs- und Reflexionsdämpfung.

Anders als bei den ersten Mes­sun­gen star­tet der Meß­be­reich nun bei 100 kHz und endet bei 200 MHz. Ich woll­te ein­fach mal sehen, mit wel­chen Ein­schrän­kun­gen man bei einem (nicht vor­ge­se­he­nen) Betrieb bei 145 MHz im 2‑m-Band rech­nen müss­te. Der Start bei 100 kHz ver­mei­det Arte­fak­te bei nied­ri­gen Fre­quen­zen. Nach­fol­gend die Meß­er­geb­nis­se der ein­zel­nen Kanäle.

Dis­kus­si­on der Meßergebnisse

In der nach­fol­gen­den Dis­kus­si­on wird immer wie­der von den gemes­se­nen Wer­ten in dB auf abso­lu­te Lei­stun­gen umge­rech­net. Der Grund ist, daß der Umschal­ter mit den 100 Watt eines IC-7300 Trans­cei­vers betrie­ben wer­den soll. Da die Ver­lust­lei­stun­gen zur Erwär­mung der Bau­tei­le füh­ren, soll damit abge­schätzt wer­den, ob die Lei­stung trag­bar ist. Ein Bast­ler weiß aus Erfah­rung, wie warm ein mit 250 mW oder 1 W bela­ste­ter Wider­stand wird und ob man die­se Lei­stung einem Kabel, einer Buch­se oder einem Relais zumu­ten kann. Alle abso­lu­ten Lei­stun­gen sind auf die genann­te Ein­gangs­lei­stung von 100 Watt bezogen.

Die Dämp­fung bis 30 MHz ist jetzt von 0.02 dB auf bis zu 0.1 dB ange­stie­gen. Das heißt, daß bei Betrieb im 10-m-Band mit 100 Watt etwas über 2 W im Umschal­ter ver­bra­ten wer­den. Nicht schön, aber trag­bar. Allein die unge­fähr 25 cm RG58-Kabel, die bei jedem Kanal zwi­schen den bei­den Buch­sen lie­gen, dürf­ten 0,02 dB (0,4 W) dazu bei­tra­gen (8 dB/100m @ 30 MHz). Wenn wir die feh­len­den 0.06 dB gleich­mä­ßig auf die vier Steck­ver­bin­der ver­tei­len (SO239-SMA-SMA-SO239), dann blei­ben an jedem die­ser Steck­ver­bin­der 0.015 dB hän­gen, was plau­si­bel klingt. Bei 100 Watt Ein­gangs­lei­stung sind das dann jeweils gut 300 mW. Das muß man wohl akzep­tie­ren. Auch mit der drei- oder vier­fa­chen Lei­stung soll­te das in Ord­nung sein, aber bei noch höhe­ren Lei­stun­gen wird man die Ver­lu­ste redu­zie­ren müs­sen, sonst läuft der Umschal­ter im Dau­er­be­trieb heiß.

Die oben doku­men­tier­ten Mes­sun­gen zei­gen auch jeweils die reflek­tier­te Lei­stung, also die Rück­lauf­dämp­fung, in dB an. Bis 30 MHz liegt sie auf jedem Kanal, außer dem drit­ten, unter 30 dB. Das bedeu­tet, daß weni­ger als ein Tau­send­stel der ein­ge­spei­sten Lei­stung reflek­tiert wird. Bei 100 Watt am Ein­gang sind das 100 mW und das ist guten Gewis­sens ver­nach­läs­sig­bar. Bei Kanal 3 zeigt sich eine Anoma­lie. Das Smith Dia­gramm ver­rät, daß die kapa­zi­ti­ve Bela­stung höher ist, als auf den ande­ren Kanä­len, denn die Kur­ve geht frü­her und deut­li­cher nach unten in den kapa­zi­ti­ven Bereich. Die Rück­lauf­dämp­fung beträgt bei 30 MHz nur noch 25 dB, was schon einer rück­lau­fen­den Lei­stung von 300 mW entspricht.

Bei höhe­ren Fre­quen­zen jen­seits von 30 MHz macht sich die Anoma­lie auf Kanal 3 immer stär­ker bemerk­bar. Bei 75 MHz beträgt dort die Durch­lauf­dämp­fung 0.21 dB, wäh­rend sie auf den ande­ren Kanä­len höch­stens 0.15 dB beträgt. Gleich­zei­tig sieht man aber auch, daß die Rück­fluß­dämp­fung auf gut ‑17 dB ansteigt, was natür­lich an dem schlech­ten Steh­wel­len­ver­hält­nis liegt. Anders aus­ge­drückt, von den 4,7 W die nicht am Aus­gang ankom­men (0.21 dB Dämp­fung), wer­den 2 W zum Ein­gang reflek­tiert (-17 dB). Letzt­lich gehen also auf dem Kanal 3 doch nur 2,7 W als Wär­me ver­lo­ren. Zum Ver­gleich hat Kanal 5 eine Durch­lauf­dämp­fung von 0,12 dB und eine Rück­lauf­dämp­fung von 30 dB. Hier wer­den also nur 100 mW reflek­tiert und genau wie auf dem drit­ten Kanal 2,7 W in Wär­me umge­wan­delt. Die Dämp­fung ist also auf allen Kanä­len im Rah­men der Meß­ge­nau­ig­keit gleich, aber das Steh­wel­len­ver­hält­nis und damit die reflek­tier­te Lei­stung ist unterschiedlich.

Was ist also die Quint­essenz die­ser Mes­sun­gen? Ich wer­de den Anten­nen­um­schal­ter im gesam­ten Kurz­wel­len­be­reich inklu­si­ve dem 6‑m-Band und dem 4‑m-Band ein­set­zen. Auch Kanal 3 wird ver­wen­det, mit der mar­gi­nal höhe­ren Rück­lauf­lei­stung muß der Trans­cei­ver zurechtkommen.

Was bedeu­ten die Mes­sun­gen bei 145 MHz für einen even­tu­el­len zukünf­ti­gen UKW Anten­nen­um­schal­ter? Der hier gebau­te Umschal­ter ist für das 2‑m-Band sicher nicht mehr geeig­net, das Steh­wel­len­ver­hält­nis liegt auf allen Kanä­len zwi­schen 1,25 und 2. Ein klei­nes Spreadsheet zeigt, daß die tat­säch­li­chen Ver­lu­ste bei 145 MHz auf allen Kanä­len zwi­schen 0,25 und 0,3 dB lie­gen, wenn man die reflek­tier­te Lei­stung zur durch­ge­las­se­nen Lei­stung addiert, wie es bei idea­lem Steh­wel­len­ver­hält­nis von 1 der Fall wäre. Da RG58 bei 145 MHz etwa 18 dB Ver­lust auf 100 m hat, kann man bei den hier ver­bau­ten 25 cm also schon knapp 0,05 dB dem Kabel zurech­nen. Dämp­fungs­wer­te für SMA und UHF Steck­ver­bin­der habe ich nicht gefun­den, daher ver­tei­le ich, wie oben, die ver­blei­ben­de Dämp­fung gleich­mä­ßig auf die ver­wen­de­ten Steck­ver­bin­der und das Relais. Wür­de man also die Kabel und zwei Steck­ver­bin­der weg­las­sen, soll­te mit den hier ver­wen­de­ten Relais auf 2 m eine Dämp­fung von 0,1 bis 0,15 dB erreich­bar sein. Mecha­nisch wird man die Relais dann aber im Kreis anord­nen und die Buch­sen direkt auf die Pla­ti­ne löten.

Hier geht’s zum ersten und zum zwei­ten Teil.