RS-485 - Sudelbuch

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.

Oberseite — ATMEGA644-Board, V11, Unterseite

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.

RS485_ATM644PA_V11 Herunterladen

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:

2021_12_03-Frequenzzaehler Herunterladen

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.

Programmier- und Debugboard, Vorderseite

Rückseite — Programmier- und Debugboard, Vorderseite

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.

2021_12_03-Programmier-und-Debugboard-Schaltplan‑1 Herunterladen

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:

Der fertige Antennentuner im wetterfesten Gehäuse

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:

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:

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 ¹⁄₁₆ 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:

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. 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.

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

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:

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

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.

ATMEGA644 V1.1

Fre­quenz­zäh­ler

Pro­gram­mier- und Debugboard

Der prak­ti­sche Aufbau

Vor­be­mer­kun­gen

Host-Soft­ware

Die Abschluß­mes­sun­gen

Dis­kus­si­on der Meßergebnisse