Einleitung
Dieser Artikel beschreibt ein tragbares SSB-QRP-Handfunkgerät mit integrierter Stabantanne (früher bekannt unter dem Begriff „Walkie-Talkies“) für den Außeneinsatz. Falls vorhanden, kann auch eine Stationsantenne verwendet werden.
Dieses Gerät ist ein zuverlässiger Begleiter bei Aktivitäten wie “SOTA”, Wandern, Radfahren uvm. Es wurde für das 20m-Band entwickelt, kann aber problemlos auf 18MHz oder höhere Frequenzen angepasst werden. Ein Akkupack mit 12 V/2,5 Amperestunden (Ah) ist in das Gerät eingebaut. Dieser liefert genügend Energie auch für längere Ausflüge. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Akkupack extern im Rucksack aufzubewahren und mit einem geeigneten Kabel zu verbinden. Dann kann das Gehäsue natürlich deutlich flacher ausgeführt werden. In diesem Fall sind 3 Zentimeter Höhe möglich, das Gerät wird dann also sehr flach. Auf dem Bild ist die Version mit integriertem Akku zu sehen. Mit dieser Konfiguration wiegt das komplette Rig etwa 500 Gramm.
Da das Gerät einen DDS-Oszillator (AD9835) als Haupt-VFO und ein Ladder-Filter zur SSB-Erzeugung verwendet, ermöglicht dies vielseitige Kombinationsmöglichkeit von VFO- und LO-Frequenzen, was die Auslegung der Schaltung für für andere Bänder, z. die 18, 21, 24 und 28 MHz möglich macht. Der Transceiver wurde vom Autor für den Einsatz im 14- und 18-MHz-Band mit sehr guten Ergebnissen gebaut und getestet.
Für dieses Funkgerät wurde eine bewährte und zuverlässige Schaltung gewählt. Dazu gehören ein Einfach-Superhet-Empfänger, ein DDS-VFO, ein quarzgesteuerter lokaler Oszillator (LO) und ein dreistufiger linearer Verstärker im Senderteil, der in der Lage ist, ungefähr 5 Watt PEP an die Antenne zu liefern. Das Funkgerät kann wie gezeigt als “Walkie-Talkie” mit eingebauter Stabantenne und externem oder angeschlossenem Akkupack verwendet werden. Es könnte aber auch als stationärer QRP-Transceiver mit einer (viel effektiveren) Stationsantenne verwendet werden.
Da ich häufig gefragt wurde, ob ich nicht Platinen für meine Geräte herstellen könnte, hier ist eine. Mehr dazu gibt es auf meinem QRP-Online-Shop:
DK7IH QRP-Shop
Vy 73 de Peter (DK7IH)
Dieser Artikel beschreibt den Aufbau des kompletten Gerät Schritt für Schritt analog zu den verschiedenen Funktionseinheiten, die sich auf der Platine befinden.
Allgemeine Beschreibung
Das komplette Handfunkgerät besteht aus 3 Leiterplatten:
- Die Hauptplatine (enthält VFO, LO, Sender und Empfänger für den Transceiver, siehe Bild oben),
- die Frontplatine (enthält i. W. Taster und das OLED-Display) und eine Frontverkleidung, sowie
- die hintere Platine mit Stromversorgungsrelais (i. e. das Sende-Empfangs-Relais).
Die verschiedenen funktionalen (d. h. HF-bezogenen) Einheiten des Gerätes sind also alle auf der zentralen Platine angeordnet. Die Verbindungen zwischen den Platinen erfolgen in der Art “alter Schule” unter Verwendung einfacher flexibler bzw. fallweise abgeschirmter Kabel. Darauf werde ich später im Einzelfall eingehen indem detailliert aufgezeigt wird, wie die einzelnen Verbindungen zu ziehen sind und wie die Kabelbäume aufgebaut werden. Es gibt aber derer aber nicht übermäßig viele, wenn möglich, wurden Leitungen auf der Platine platziert.
Blockdiagramm
Das Design dieses Transceivers ist nicht neu, es ist ein robustes Standard-QRP-Gerät mit einer Zwischenfrequenz, einem SSB-Ladder-Filter (was die Kosten niedrig halten soll), Dual-Gate-MOSFET sund einigen NE612 / SA602 als Mischer. Plus die anderen “üblichen Verdächtigen”. 😉
VFO und LO
In diesem Sende-Empfänger kommt ein DDS-VFO zum Einsatz. Dies gewährleistet sehr hohe Frequenzstabilität, insbesondere wenn das Funkgerät als tragbares Gerät verwendet wird. Der entsprechende Schaltkreis ist der AD9835 von Analog Devices (AD). Für Funkamateure, die nicht gerne SMDs löten, habe ich den AD9835 auf ein Breakout-Board gesetzt.
Der Takt für dieses IC kommt wie üblich von einem quarzgesteuerten Oszillator (f=50MHz) für 5V. Die Software läuft auf einem ATMega328-Mikrocontroller. Alternativ kann auch ein ATMega168 benutzt werden. Die Software kann kostenlos von meinem Github-Konto heruntergeladen werden. Beim Installieren der Software kann gerne geholfen werden (peter(at)dk7ih.de).
Ein in die Frontplatte integriertes OLED zeigt die aktuellen Daten wie Frequenz, S-Meter, Sendeleistung etc. an. Die Abstimmung erfolgt über einen Drehgeber. Die Software enthält außerdem 16 VFO-Speicher, um die Bedienung des Funkgeräts komfortabler zu gestalten. Sie wird ständig weiterentwickelt.
Zurück zum Hardware-Thema: Dem VFO folgt ein zweistufiger Verstärker, um einen ausreichenden Ausgangspegel (ca. 3 bis 4 Vss) für die Mischstufe des Empfängers zu erzeugen.
Der lokale Oszillator (LO) verwendet ein “klassisches” Design (Colpitts-Schaltung). Der hier verwendete einzelne Quarz kann oberhalb (unter Verwendung eines Serien-C) oder unterhalb (unter Verwendung einer Serieninduktivität) seiner Nennfrequenz “gezogen” werden, um die Frequenzen für die Seitenbänder korrekt einzustellen. Um den Oszillator effektiv von den nachfolgenden Mischstufen zu entkoppeln, wurde ein Pufferverstärker hinzugefügt.
Der Empfangsteil
Dieser ist eine bewährte Standardschaltung, die ich schon oft verwendet habe. Zwei Dual-Gate-MOSFETs, die als Hochfrequenz-(HF)-Verstärker in der Eingangsstufe und im Empfängermischer eingesetzt werden und die durch LC-Kreise gekoppelt sind, ergeben eine hervorragende Empfindlichkeit, ein sehr geringes Eigenrauschen und die starke Filterung unerwünschter Signale, was zusammen genommen zu einer hohen Intermodulationsfestigkeit führt. Der Gesamtgewinn dieser Schaltung ist übrigens enorm. Der Empfänger macht Signale mit dem bekannten “nassem Finger” hörbar. 😉
Dem Ladder-Filter aus vier Quarzen (Frequenzbereich 8 bis 15 MHz) folgt dann ein Zwischenfrequenzverstärker, der ebenfalls mit einem Dual-Gate-MOSFET ausgerüstet ist. Dieses Filter wird auch für den Sender verwendet, die Umschaltung zwischen den zwei Anwendungen erfolgt über ein Subminiatur-Relais. Der ZF-Verstärker, wird ebenso wie die Eingangsverstärkerstufe, der in der automatischen Verstärkungsregelungseinheit (AGC) erzeugten Spannung gesteuert, wodurch der Empfänger auch bei bei sehr hohen Eingangspegeln keine Verzerrungen erzeugt.
Der Produktdetektor ist ein IC SA602, gefolgt von einem NF-Tiefpassfilter, einer Vorverstärkerstufe und dem NF-Hauptverstärker.
Der Senderteil
Dieses Handfunkgerät ist für ein Elektretmikrofon ausgelegt, daher wird die notwendige Gleichspannung auf der Audioleitung bereitgestellt. Ein dynamisches Mikrofon kann natürlich ebenfalls verwendet werden. Der symmetrische Mischer zur DSB-Erzeugung verwendet einen weiteren SA602-Mischer. Nachdem das DSB-Signal das SSB-Filter passiert hat, wird es in einem Bipolartransistor moderat verstärkt und einem weiteren SA602 zugeführt, der das SSB-Signal dann auf die gewünschte Ausgangsfrequenz mischt.
Der Leistungssender bestehen aus einem Vorverstärker (2SC829, 2SC1674 oder gleichwertig), einem 2SC1973 Treiber und einer Endstufe (2x2SC2078) im Gegentaktbetrieb. Die Ausgangsleistung liegt bei etwa 5 Watt PEP.
Gehäuse
Um die mechanische Konstruktion einfach zu halten wurde ein Gehäuse aus 2 Alumimiumprofilen (U-förmig) angedacht, welche sich gegenüber liegen. Die Hauptplatine ist in den unteren Teil eingebaut, die Rückwand trägt die Umschaltplatine. Sie ist mit einem Winkel (ebenfalls aus Aluminium ) mit der Bodensektion verbunden. Eine zweite Hälfte, quasi der “Deckel” mit einem Lautsprecher wird dann von oben aufgesetzt und seitlich verschraubt. So ergibt sich eine stabile Konstruktion für den Portabelbetrieb.
Aufbau des Gerätes
Es wird nun der gesamte Aufbau des Transceivers Schritt für Schritt beschrieben. Ich beziehen mich dabei auf die für dieses Gerät von mir angebotene Platine.
Der Bau beginnt zunächst mit dem Aufbau des Quarzoszillators (LO), gefolgt vom Mikrocontroller und dem VFO und dann dem nachgeschalteten Verstärker für das DDS-Signal. Dann geht es weiter mit dem Empfänger, beginnend mit den beiden NF-Stufen und dann ebenfalls schrittweise in Richtung des Eingangsteiles des Empfängers. Danach folgt der Sender, beginnend mit dem Mikrofonverstärker, dem Generator für das DSB-Signal, dem SSB-Verstärker, dem Sendermischer und abschließend den 3 Stufen im Leistungsteil des Senders.
Aufbau des Empfängers
Der Quarzoszillator
Der Quarzoszillator wird gerne auch als “Lokaler Oszillator” (LO) bezeichet. Er erzeugt das Signal für Doppelseitenbandsignal (DSB) im Sendefall und jene Schwingung, die zum Dekodieren der ZF des SSB-Signals verwendet wird. Die Schaltung besteht aus zwei Transistoren (Q1 als Oszillator, Q2 als Pufferverstärker):
L ist eine Spule um die Oszillatorfrequenz auf den genauen Wert zu ziehen, der für die Erzeugung des oberen Seitenbands benötigt wird. Cv ist ein Trimmerkondensator (90pF max. Kapazität) und tut dasselbe für das untere Seitenband (falls gewünscht).
Da dieses Funkgerät als Bausatz konzipiert ist, möchten einige Anwender möglicherweise ihre eigenen Quarze mit abweichenden Frequenzen und Eigenschaften verwenden, also ein anderes Frequenzlayout verwenden, als hier im Mustergerät gezeigt. Da für den Oszillator und das SSB-Ladder-Filter viele Arten von Kombinationen aus Quarzen und Frequenzen benutzt werden können, musste eine große Anzahl möglicher Bedingungen abgedeckt werden. Dies erfolgt durch die Verwendung einer Spule mit mehreren Abgriffen und einer 5-poligen Stiftleiste, wo dann durch einen Steckkontakt der entsprechende Anschluss gewählt wird. Durch Schalten einer Brücke des gewählten Abgriffpunktes vom ganz linken Pin der Stiftleiste zu dem entsprechenden Anschluss kann die optimierte Induktivität gefunden und eingestellt werden.
Die Spule wird auf einen fertigen Spulenkörper aufgebracht:
Es wird Kupferlackdraht von 0,2 mm Durchmesser auf einen 5 mm TOKO-Spulenkörper gewickelt. Das Wickelschema sieht wie auf dem Bild rechts von oben gesehen aus: Vom Pin „START“ werden zuerst 16 Windungen auf den Spulenkörper aufgebracht, dann wird der nächste Pin (mittlerer Pin rechts) mit 3 oder 4 Windungen umwickelt und anschließend verlötet. Dann wird der Spulenaufbau fortgesetzt, indem nun 8 weitere Windungen in der nächsten Kammer gewickelt werden und so weiter. (Hinweis: Ein fertig konfektioniertes Spulenset ist auf Anfrage in meinem QRP-Shop erhältlich).
Für die Transistoren Q1 und Q2 können alle NPN-Typen mit einer Transitfrequenz um die gewünschte Betriebsfrequenz herum liegt, eingesetzt werden. Ihre Auswahl ist unkritisch. Versuchsweise konnten sogar ausgesprochene Audiotransistoren wie der BC547 problemlos verwendet werden. Der 2N2222A wird als beschaffbare Alternative empfohlen. Bitte denken Sie daran, dass das Anschlussschema hier E-B-C sein muss, damit die Transistoren zur Platine passen!
Aufgebaut sieht der Oszillator wie im Bild rechts aus. Die Seitenbandumschaltung erfolgt über einen kleinen Kippschalter, der in die Frontplatte integriert ist und direkt vor dem 3-poligen Stiftanschluss angebracht ist (dies hauptsächlich, um die Leitungen kurz zu halten).
Der 150pF-Kondensator, der Oszillator und Pufferstufe verbindet, kann in eine 2-polige Kontaktleiste (in der Art eines IC-Sockels) eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine Anpassung der Ausgangsspannung der gesamten Oszillatorschaltung.
Testen und prüfen
Die Ausgangsspannung des LO hängt, wie oben bereits erklärt, vom Wert des Koppelkondensators ab, der zwischen den beiden Stufen angeordnet ist. Mit dem 150pF-Kondensator laut Schaltplan sollten es dann etwa 6Vpp sein. Bei einem sehr viel kleineren Wert von 24pF liegt er bei etwa 1,5 Vss. Leichte Verzerrungen sind vernachlässigbar.
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Der VFO mit einem DDS-Chip AD 9835
Der VFO und der dazugehörige Mikrocontroller (MCU) sind die zentralen Teile der Frequenzerzeugung in diesem Transceiver. MCU ist ein ATMega328 (oder ATMega168, wenn sich der ATMega328 nicht oder nur schwer beschaffen lässt), der ein 132×64 Pixel (I²C) OLED ansteuert. Der Benutzer kann über 2 Schalter die Grundeinstellungen des Gerätes vornehmen, ein Drehgeber dient zur Frequenzeinstellung.
Schauen wir uns zuerst den Schaltplan für die komplette VFO-Sektion auf der rechten Seite an.
Vorab einige zusätzliche Informationen: Der Drehgeber ist in die später zu besprechende Frontplatte integriert. Er muss keinen Taster haben. Eine Entprellschaltung wird auf der Frontplatine integriert.
Im Verstärker nach dem DDS können alle geeigneten NPN-Transistoren mit “E-B-C”-Pin-Konfiguration verwendet werden. Der 2N2222A ist nur als Vorschlag zu sehen.
Aufbau der Microcontrollerschaltung auf der Platine
Der Schaltungsteil mit dem Microcontroller auf der Platine sitzt links unten.
Es werden einige Brücken aus blankem Schaltdraht benötigt:
- Eine sehr lange ganz links,
- eine kurze am 10kΩ-Widerstand für den RESET des Microcontrollers, und
- 5 weitere für die Analoeingänge am Microcontroller.
Dieser Teil der Platine im bestückten Zustand ist rechts zu sehen:
Noch ein paar weitere Hinweise:
Da das Gerät mit durchgesteckten Bauteilen aufgebaut ist, um Amateuren, die sich mit SMD nicht recht anfreunden können oder wollen, eine Möglichkeit zum Nachbau zu geben, wurde der AD9835 auf einem Breakout-Board montiert. Dieses ist in meinem Shop fertig mit aufgelötetem AD9835 erhältlich.
Auf der linken Seite der Platine befindet sich ein Satz Steckleisten. Diese Anschlüsse sind Teil der Schnittstelle zwischen der Frontplatine und Mainboard und werden später definiert. Es werden übrigens u. U. nicht alle verwendet.
Testen und prüfen
Stecken Sie vorerst noch keinen Mikrocontroller ein sondern prüfen Sie zuerst beim Anlegen von 12 V an den „12+ V perm“. Anschluss für den Quarzoszillator (dieser versorgt ebenfalls den VFO), ob an Pin 8 des ATMega328 5V anliegen. Prüfen Sie dann, ob die MCU über eine Programmierschnittstelle (z. B. den „USB-Tiny AVR Programmer“) mit einem PC kommunizieren kann. Beispielsweise lässt sich folgender Befehl übertragen:
avrdude -c usbtiny -p m328p -U lfuse:w:0xe2:m -U hfuse:w:0xd1:m -U efuse:w:0xff:m
Dieser Befehl setzt den Microcontroller auf eine Taktrate von 8MHz und verhindert, dass ein eventueller Inhalt des EEPROM nach dem Neuprogrammieren gelöscht wird.
Wenn alles OK ist, ist der Microcontroller einsatzbereit.
Der Taktgenerator und das DDS-IC
Als nächstes wird der 50-MHz-Taktoszillator, der für den AD9835-DDS-Chip benötigt wird, auf die Platine gelötet. Ich habe dieses Bauteil wie alle anderen ICs in einen Sockel gesetzt. Sobald diese Komponente ausfällt (was ich in den letzten Jahren mehrmals hatte), kann man sie problemlos demontieren, ohne dass man das defekte Teil auslöten muss.
Das DDS-Modul AD9835 ist wie bereits beschrieben ein SMD-IC im TSSOP16-Gehäuse. Um den Bau des Gerätes einfacher zu machen, habe ich ein entsprechendes Breakout-Board verwendet. Es hat einen sehr schlanken Formfaktor und kann in 2 Reihen von Stiftleisten (8 Kontakte in jeder Reihe) gesteckt werden, siehe rechte Seite des Bildes unten:
Folgende Bestückung der Platine ist vorzunehmen:
Hinweis: Die beiden Spulen des Tiefpassfilters am Ausgang des DDS sind Standardinduktivitäten in Widerstandsbauform. Sie haben zwar einen niedrigen Q-Faktor, wurden aber wegen der geringen Abmessungen eingesetzt. Wer mag, kann diese durch 2 entsprechende auf kleine Ringkerne (Material “2”, in rot) gewickelte Spulen ersetzen.
Testen und prüfen
Bevor man das DDS testen kann, muss die Software in den Mikrocontroller geladen werden. Auf meinem Github-Repo gibt es dazu die entsprechende “HEX-Datei”. Zum Hochladen dieser Datei auf die MCU wird die Software „AVRdude“ empfohlen. Bei Problemen einfach mailen: peter(at)dk7ih.de!
Nachdem die Software geladen und der Mikrocontroller neu gestartet wurde, erzeugt dieser mit dem DDS-Baustein eine Sinuswelle mit einer Frequenz von etwa 4,5 MHz. Dies sollte nach dem 0,1-uF-Kondensator messbar sein, der in der rechten oberen Ecke des obigen Platinenausschnitts zu sehen ist. Die Spannung liegt im Bereich von 0,5 V bis 0,8 Vss.
Der Verstärker nach dem DDS
Dieser zweistufige linear arbeitende Verstärker ist darauf ausgelegt, eine relativ hohe Ausgangsspannung zu erzeugen, die für die Verwendung des Mischer mit einem Dual-Gate-MOSFET zwingend erforderlich ist. Dual-Gate-MOSFETs in dieser Betriebsart benötigen Oszillatorspannungen im Bereich von 3 bis 5 Vss, welche dieser Verstärker entsprechend erzeugt. Für den Sendemischer wird durch Wahl eine entsprechenden Koppelkondensators die Spannung herabgesetzt um den Mischer nicht zu übersteuern.
In der Schaltung im rechts stehenden Platinenauszug sind die jeweiligen Transistoren Q3 und Q4 zu beachten. In diesem Fall kann, wie schon beim LO erwähnt, nahezu jede Art von Bipolartransistor mit der “E-B-C”-Pinbelegung verwendet werden. 2N2222A ist auch hier eine gute Empfehlung.
Da Q3 und Q4 sehr nah beieinander auf der Platine sitzen, achten Sie darauf, dass sich diese nicht berühren, wenn Transistoren mit Metallgehäuse verwendet werden!
Rx ist der im Schaltplan gezeichnete 3,3k-Widerstand. Wenn man feststellen sollte, dass der Verstärker deutlich weniger als 5 Vss. ausgibt kann dieser Wert nach Bedarf verringert werden.
Testen und prüfen
Vor dem Testen des Verstärkers muss eine Leitung hinzugefügt werden. Im Bild unten sieht man einen rot isolierten Anschlussdraht, der verwendet wird, um den DDS-Verstärker mit 12 Volt Gleichspannung zu versorgen. Ist diese Verbindung eingesetzt, kann der Oszillator getestet werden.
Aus den wenigen hundert Millivolt am Ausgang des DDS muss der Verstärker ca. 3 bis 5 Vss. erzeugen. Und das mit einer reinen (d. h. unverzerrten) Sinuswellenform.
Mit diesem Schritt sind nun der lokale Oszillator und der DDS-VFO fertiggestellt.
Nun können wir uns dem Empfänger zuwenden….
Aufbau des Empfangsteiles
Der Empfänger ist eine vielfach erprobte und stabile Schaltung, die neben sehr geringem Eigenrauschen eine hervorragende Empfindlichkeit bietet und aufgrund der AGC-Schaltung auch mit sehr starken Signalen gut zurecht kommt. Sie enthält vier Spulen, die für die Filterung des Eingangssignales und des ZF-Signals verwendet werden.
Ein Wort zu den Spulen:
Alle Spulen sind auf kleine Spulenkörper im TOKO-Stil (5 mm) gewickelt. Sie haben 16 Primärwindungen aus 0,2 mm Durchmesser Kupferlackdraht. Alle Spulen haben identische Daten, es gibt keine Ausnahmen. Die Schwingkreise unterscheiden sich dann nur im Wert der parallel geschalteten Kondensatoren. Zur Bestimmung des jeweiligen Parallelkondensators soll folgende Tabelle dienen:
| Frequenz | Parallelkapazität |
| Zwischenfrequenz (9 to 11 MHz) | 120pF |
| Empfangsfrequenz (14MHz) | 47pF |
| Empfangsfrequenz (18MHz) | 33pF |
Der Niederfrequenzverstärker (Vorstufe und Endstufe), AGC
Die Schaltung:
Praktisch sieht dieser Schaltungsteil so aus:
Hinweise
- Es sind wieder einige Brücken einzulöten, welche +12V führen, siehe die beiden grauen Linien im Bild der Platine!
- Es sind 2 Stiftleisten mit jeweils 2 Anschlüssen für ein zusätzliches Audiotiefpassfilter (i. e. ein zuzsätzliches C gegen GND) und eine Verlängerung der AGC-Haltezeit eingebaut (ebenfalls ein Elko, 100uF) gegen GND. Sie können entweder durch einen Brückenstecker “(Jumper”) bei Bedarf fest gesetzt werden oder mit Kabeln zur Frontplatte geführt und durch einen Schalter aktiviert werden.
Testen und prüfen
a) Audioendverstärker
Dieser Test ist ziemlich einfach. Man schließe einen Lautsprecher an den Ausgang des Verstärkers an, schalte den Audioverstärker ein indem man +12V auf den Pin „+RX“ gibt. Dann nimmt man eine Metallpinzette oder einen nicht isolierten Schraubendreher in die Hand und berührt den mittleren Pin des Anschlusses für das Lautstärkepotentiometer. Aus dem Lautsprecher sollte ein lautes Brummen zu hören sein.
Ein anspruchsvolleres Verfahren kann darin bestehen, einen Sinusgenerator (f = 1000 Hz, Spannung etwa 30 bis 50 mVss.) an den Eingang und einen 8-Ohm-Widerstand an den Ausgang der Stufe anzuschließen. Bei Vollaussteuerung sollte auf einem Oszilloskop eine Ausgangsleistung von ca. 1 Watt angezeigt werden. Das bedeutet, dass nun ungefähr 8 Vss. gemessen werden sollten, die auf dem Bildschirm des Oszilloskops sichtbar sind, und dies, wenn möglich, ohne merkliche Verzerrung.
b) Audiovorverstärker
Hier machen wir den selben Test wie zuvor. Verbinden Sie ein Potentiometer (10k) mit dem 3-poligen Anschluss, bringen Sie es in die Mittelstellung und führen Sie den Test mit dem Eingang am Audiovorverstärkers durch. Das Brummen muss deutlich lauter sein als bei der vorherigen Messung.
c) AGC
Hier wird nun ein Sinusgenerator benötigt. Schließen Sie ihn an den Audio-Vorverstärker an und stellen Sie eine Frequenz von ungefähr 1000 Hz ein. Verbinden Sie ein DC-Voltmeter mit dem “AGC out”-Pin (im Bild mit dem Kollektor von Q8 verbunden). Legen Sie ein Sinussignal mit ca. f=1000Hz (einige Millivolt reichen aus) an den Eingang des Audiovorverstärkers und messen Sie die Gleichspannung am AGC-Ausgang. Beim Erreichen einiger weniger Millivolt Eingangsspannung sollte die Gleichspannung am AGC-Ausgang schnell auf etwa 0 V abfallen.
Die beiden Audioverstärker (AGC-Schaltung noch nicht bestückt) auf der Platine:
Produktdetektor und Zwischenfrequenzverstärker
Wir bewegen uns auf die Fertigstellung des Empfängerabschnitts zu. Nun also die Schaltung für den Produktdetektor und den Zwischenfrequenzverstärker:
Der Produktdetektor arbeitet mit einem NE612/SA602-Mischer, der zusätzlich zur Mischung etwa 12 bis 15 dB Verstärkung bietet. Davor ist ein einstufiger und mit einem Dual-Gate-MOSFET ausgestatteter Zwischenfrequenzverstärker angeordnet. Letzterer wird ebenfalls von der AGC gesteuert (ebenso wie der im Eingangsteil des Empfängers angeordnete identisch geschaltete HF-Vorverstärker).
L2 (zusammen mit dem parallelen C von etwa 100 pF) ist ein Schwingkreis für die gewünschte Zwischenfrequenz. Sie ist auf einen 5-mm-Spulenkörper im TOKO-Stil mit 16 Windungen primär und 4 Windungen sekundär gewickelt.
Die Schaltung und das Platinenlayout
Testen und prüfen
Zum Testen dieses Geräts ist ein Oszillator erforderlich, der ein schwaches Signal mit der Zwischenfrequenz erzeugen kann. Dies kann ein Dip-Meter sein, ein Signalgenerator oder was auch immer. Eine direkte Verbindung zum Eingangspin ist nicht erforderlich. Eine kleine „Antenne“, die an den Generator angeschlossen wird, reicht aus. Beim Dipmeter ist nur die Spule als Strahler ausreichend.
Produktdetektor
Schalten Sie das Gerät im “Empfangsmodus” ein (d. h. Audioverstärker und Vorverstärker werden mit Strom versorgt, ebenso der Lokaloszillator). Im Lautsprecher muss ein Rauschen zu hören sein. Schalten Sie nun den Signalgenerator ein und stellen Sie eine Frequenz ein, die sehr nahe an der Zwischenfrequenz des Empfängers liegt. Es muss ein Sinuston erkannt werden.
Zwischenfrequenzverstärker
Berühren Sie Gate 1 des Dual-Gate-MOSFET mit einem kurzen Stück isoliertem Draht, aber verbinden Sie Ihre Finger nicht direkt mit dem Gate-Eingang, denn eine statische Entladung und eine potentielle Zerstörung des empfindlichen Bauteils sollte vermieden werden. Die Kapazität der Haut durch das Isoliermaterial koppelt gewöhnlich genügend Hochfrequenzenergie in die Schaltung ein, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten. Der Ton sollte also deutlich lauter sein als zuvor. Schließen Sie nun +12V DC an den AGC-Eingang an. Dies muss in dieser Stufe zu einer weiteren Verstärkung führen, also muss der Sinuston nun auch weitere Erhöhung der Lautstärke aufweisen.
Das SSB-Filter und die Eingangsschaltung
In diesem Transceiver wird ein Ladderfilter aus 4 Quarzen verwendet. Grundsätzlich kann der Erbauer des Gerätes jede beliebige Zwischenfrequenz zwischen 8 und 15 MHz wählen, vorausgesetzt, dass Oszillatorfrequenzen (VFO und LO) oder deren Harmonische aus dieser Konstellation über den gesamten Abstimmbereich nicht in den Durchlassbereich des Empfängers fallen. Das Filter selbst ist, wider Erwarten, unkritisch. Mit zufällig ausgewählten Quarzen ergab sich die unten gezeigte Filterkurve (hier ein Aufbau mit 9MHz-Quarzen eines chinesischen Anbieters). Auch für andere Kombinationen aus Frequenzen und Quarzen war die Filterkurve immer akzeptabel für ein einfaches QRP-Gerät, selbst wenn man die geringe Restwelligkeit auf der Spitze der Kurve in Betracht zieht.
Die vollständige Schaltung des SSB-Filters
Dieser Teil der Schaltung beinhaltet das SSB-Filter aus den 4 Quarzen, den Kondensatoren und einem Signalrelais, da dieses Filter abwechselnd für Empfangs- und Sendezwecke verwendet wird.
Das Relais ist ein HFD4/12-Subminiaturtyp, der für TH- bzw. SMD-Lötung verfügbar ist. In dieses Gerät wurde der TH-Typ eingebaut. Das Relais ist mit der +12V-TX-Versorgung verbunden und wird daher aktiviert, wenn das Funkgerät im Sendemodus verwendet wird.
Auf der Platine gibt es viele Steckplätze für Kondensatoren, die manchmal nicht alle verwendet werden müssen. Es empfiehlt sich, zunächst das gewünschte Filter auf einem Steckbrett aufzubauen, Messdaten aufzunehmen (mit Spektrumanalysator und Trackinggenerator, falls vorhanden) und diesen Aufbau dann auf die Platine zu übertragen. Andererseits waren die Ergebnisse mit zufällig ausgewählten Kristallen stets sehr ermutigend, was spätere Messungen zeigten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Kondensatoren in Stecksockel zu platzieren und auf diese Art und Weise entsprechende Experimente durchzuführen.
Layout des SSB-Filters
Empfänger-Eingangsteil (Mischer und HF-Vorverstärker)
Diese beiden Stufen sind mit Dual-Gate-MOSFETs bestückt. Es wird empfohlen, sie, damit sie einfach gewechselt werden können, sie in ein Arrangement von 2 x 2-poligen Buchsenleisten zu montieren. Wenn Sie Probleme beim Kauf der TH-Varianten wie dem 40673, 3SK49 oder gleichwertig haben sollten, können Sie BF998 SMD-Typen kaufen, die auf einem kleinen Breakout montiert sind. Entsprechende Boards sind bei peter(at)dk7ih.de erhältlich.
Der Mischer ist sehr stabil gegenüber hochpegeligen Signalen und sehr rauscharm. Es erfordert aber eine vergleichsweise hohe Oszillatorspannung von etwa 3 bis 5 Vss. die der VFO bzw. dessen nachgeschalteter Verstärker produziert.
Die HF-Vorstufe wurde eingebaut, um das Gesamtrauschmaß des Empfängers zu verbessern und ein schwaches Signal vom Hintergrundrauschen besser detektierbar zu machen. Er ist, wie auch der Zwischenfrequenzverstärker, mit der AGC-Regelung verbunden.
Der Mischer
Die HF-Vorstufe
Empfängertest
An dieser Stelle angelangt, können wir den Empfänger vollständig testen. Doch bevor dies geschehen kann, müssen einige Schritte unternommen werden:
A) Stecken und löten Sie (falls noch nicht geschehen) eine 7-polige Stiftleiste an der entsprechenden Stelle im hinteren Teil der Platine. Sie enthält die verschiedenen DC-Leitungen sowie den Oszillatoreingang für den VFO und den Antennenanschluss
B) Bereiten Sie ein abgeschirmtes Kabel vor, um den VFO-Verstärkerausgang (linke Seite der 4-poligen Stiftleiste) mit dem VFO-Eingang im hinteren Teil des Empfängerteils (Pin 1 und 2 in der langen Stiftleiste, von links gezählt) zu verbinden ). Beachten Sie die durch blaue Punkte markierte Position der Schirmung!)
C) Verbinden Sie ein Potentiometer mit dem Anschluss für die Lautstärkeregelung im Mittelteil des Audioverstärkers. Beachten Sie bitte, dass der GND-Pin des Potentiometers blau markiert ist, der mittlere Pin grün und der 2. äußere Pin rot.
D) Schließen Sie die spannungsführenden Leitungen an. Hinweis: Es gibt 2 Arten von 12V-Leitungen:
- 12V permanent (für die Oszillatoren links an der Hauptplatine)
- 12V RX (i. e. nur für den Empfänger).
Zum Prüfen werden alle Leitungen (12V+ perm. und +12V RX) gemeinsam an die 12V-Versorgung angeschlossen. Es wird empfohlen, eine strombegrenzte Spannungsversorgung (oder mindestens eine 100-mA-Sicherung) zu verwenden. Später werden diese Leitungen wieder aufgetrennt und mit dem entsprechenden Pin auf der im hinteren Teil befindlichen Relaisplatine verbunden, um das Gerät von Empfang auf Senden zu schalten.
E) Die Anschlüsse für AGC der HF-Vorstufe und des ZF-Verstärkers werden mit dem AGC-Ausgang der AGC-Schaltung verbunden. Später wird noch ein Potentiometer im Frontberech dazwischen geschaltet, um die Verstärkung des Empfängers auch manuell einstellen zu können.
F) Das OLED wird an den Microcontroller angeschlossen:
G) Der Drehgeber wird angeschlossen:
H) Anschluss einer Antenne an den ganz rechten Pin der Steckerleiste und Verbindung der Masse (an der Schraube an der Ecke der Platine):
I) Bereitstellen der 12V-Versorgung:
J) Anschluss eines Lautsprechers:
Testen des Empfängers
Wenn alle Voraussetzungen erfüllt sind, können wir mit dem Testen des Empfängers beginnen. Stellen Sie sicher, dass Software (HEX-Datei) auf den Mikrocontroller hochgeladen ist. Nach dem Einschalten der Schaltung muss das typische Bandrauschen im Lautsprecher zu hören sein, das Display sollte „14.200“ kHz anzeigen.
Stimmen Sie nun die 4 Spulen (von rechts gezählt) auf die maximal erreichbare Signalverstärkung ab. Stellen Sie nun eine SSB-Station auf dem Band ein. Wenn die Tonhöhe unnatürlich oder das Seitenband nicht korrekt ist, korrigieren Sie am Quarzoszillator entsprechend, indem Sie das korrekte Seitenband schalten und die genaue Frequenz des Oszillators einstellen.
Um die Tonhöhe des empfangenen Signals im USB-Modus zu ändern, wählen Sie ggf. einen anderen Anschluss der 4 rechten Pins in der Nähe der Spule und schließen Sie ihn an den ganz linken Pin an. Stimmen Sie nun die Spule ab, um ein natürlich klingendes Bandrauschen bzw. eine natürliche Tonhöhe eines Empfangssignals zu erzielen. Der linke Stift der Spule ist immer fest, da er das Ende der abgegriffenen Spule darstellt.
Um LSB (falls erforderlich) einzustellen, drehen Sie einfach den Trimmerkondensator ein klein wenig mit oder gegen den Uhrzeigersinn..
Nachdem alle Einstellungen korrekt vorgenommen wurden, sollte der Empfänger so klingen:
Jetzt, da der Empfänger fertig aufgebaut ist und hoffentlich funktioniert, wenden wir uns nachfolgend dem Senderteil zu
(Ende des übersetzten Teils, der restliche Text folgt in Kürze!)
Der Senderteil
Der Senderteil dieses Projekts beginnt mit dem Mikrofonverstärker und dem Seitenbandgenerator (DSB-Generator).
Mikrofonverstärker und DSB-Generator
Das Funkgerät ist für die Verwendung eines Elektretmikrofons ausgelegt. Auch wenn man berücksichtigt, dass ein Elektretmikrofon aufgrund des integrierten, mit einem Feldeffekttransistor (FET) ausgestatteten kleinen Verstärkers eine hohe Ausgangsspannung bietet (der manchmal sogar eine ausreichende Amplitude liefert, um den symmetrischen SA602-Mischer direkt anzusteuern), haben wir einen Audioverstärker in diese Schaltung integriert. Das Abwickeln von Funkverbindungen macht einfach mehr Spaß, wenn man nicht in das Mikrofon schreien muss. 😉
Als nächster Schritt folgt ein symmetrischer Modulator (DSB-Generator) mit ebenfalls einem SA602 als zentralem Teil. Eine einfache Möglichkeit zur Optimierung der Trägerunterdrückung wurde ebenfalls integriert.
Mikrofonverstärker und DSB-Generator für den 14MHz “Walkie-Talkie” SSB TransceiverAuf der Leiterplatte (PCB) beginnt der entsprechende Abschnitt ganz links auf der Platine:
Diese Stufe wird durch einen Hochfrequenztransformator abgeschlossen. Die Daten für den Ringkern sind: 12 Windungen von 0,4 mm Durchmesser Kupferlackdraht mit bifilarer Wicklung. Diese Schaltung nutzt die beiden symmetrischen Ausgänge des SA602 und erhöht so die Ausgangsspannung des Mischers erheblich. Die Sekundärseite dieses Transformators ist über ein abgeschirmtes Kabel mit den Anschlüssen des Relais verbunden, die das Sendesignal verarbeiten.
Für den Test dieser Funktionsgruppe wird ein Sinusgenerator oder noch besser ein Zweitonoszillator benötigt. Man legt das Audiosignal (U=20mVss.) an den Mikrofoneingang und beobachtet das Signal, nachdem es den SSB-Filter passiert hat. Die resultierende Spannung am Filterausgang sollte etwa 200 mVpp betragen und folgende Kurvenform aufweisen.
SSB-Verstärker und Sendermischer
Nach dem SSB-Filter folgt eine Verstärkerstufe mit niedriger Verstärkung. Ihr einziger Zweck besteht darin, das SSB-Signal um 3 bis 6 dB anzuheben, um eine vernünftige Ansteuerung der Sendermischstufe sicherzustellen. Dann folgt sofort der Sendermischer. Das resuliterende Signal wird in einen Bandpassfilter zugeführt, das aus zwei abgestimmten LC-Kreisen für das gewünschte Ausgangsband besteht, die oebendrein noch relativ lose gekoppelt sind..
Der Schaltplan:
L6 und L7 sind die identischen Spulen, die auch im Empfängerteil verwendet wurden: 16 Windungen primär, 4 Windungen sekundär auf einem 5-mm-TOKO-Spulenkörper. Hier das Platinenlayout mit den jeweiligen Bauteilen:
Testen und prüfen
Wie zuvor wird ein Doppeltongenerator verwendet. Das am Ausgang des SSB-Verstärkers entnehmbare Signal sollte im Bereich von 750 mVss. liegen. bis 1Vss. wenn voll ausgesteuert wird. Höhere Werte sind nicht vonnöten.
Das Signal am Ende des Bandpassfilters des Sendermischers sollte im Bereich von 500 mVss. liegen. L6 und L7 müssen auf maximale Spannung abgestimmt werden.
Der HF-Leistungsverstärker
Dieser Abschnitt beschreibt den Abschluss der Hauptplatine. Wir haben einen dreistufigen linearen Leistungsverstärker, der mit Bipolartransistoren. aufgebaut ist. Die erste und die zweite Stufe arbeiten im A-Betrieb, der abschließende Gegentaktverstärker ist für den AB-Betrieb konfiguriert. Die Ausgangsleistung beträgt etwa 5 Watt PEP.
Hinweise und Tipps:
- Die genannten HF-Transistoren sind ein Vorschlag. Die können entweder aus altem CB-Halbleiter benutzt werden oder es können Halbleiter in meinem Shop bestellt werden. Bitte fragen Sie per Mail an peter(at)dk7ih.de.
- Der 2SC2086 sollte nach Möglichkeit mit einer Kühlfahne ausgerüstet sein. Tests haben jedoch gezeigt, dass er auch ungekühlt mehrere Stunden ununterbrochenen eingeschalteten Zustand problemlos übersteht. Der 39Ohm-Widerstand kann durch den Wert von 47Ohm ersetzt werden, ohne dass nennenswerte Leistung verloren geht.
- D1 legt den Ruhestrom der Endstufentransistoren fest und sollte thermisch mit diesen verbunden sein.
- Die Messung der Ausgangsleistung erfolgt mit dem Mikrocontroller (PIN25 / ADC2)
- „TX out“ wird mit einem geschirmten Kabel angeschlossen, vorzugsweise mit 50 Ohm Impedanz.
Das entsprechende Platinenlayout:
Testen und prüfen
Überprüfen Sie vor dem Testen des Endverstärkers, ob die Platine zum Testen korrekt verdrahtet ist, i. e. ob alle erforderlichen Verbindungen bestehen ist (Klicken Sie auf das Bild, um es in voller Größe zu sehen!)
Folgendes ist zu tun (wenn noch nicht geschehen):
Bringen Sie einen temporären Kühlkörper an, der mit den Gehäusen der Endtransistoren isoliert ist. Dieser wird später durch einen permanenten Kühlkörper ersetzt.
Verbinden Sie die Leitungen +12V permanent und +12V TX mit den entsprechenden Anschlüssen der Pinleiste auf der rechten Seite der Platine. Die Pins sind wie unten gezeigt belegt:
Gehen Sie nun folgendermaßen vor:
Nehmen Sie ein Ohmmeter und messen Sie die Kollektoren der beiden Endtransistoren gegen den Kühlkörper. Auf dem Messgerät sollten einige hundert Ohm oder mehr abgelesen werden, je nachdem, ob der Kühlkörper mit GND verbunden ist oder nicht. Wenn “0 Ohm” auftreten, überprüfen Sie die Isolierung der Transistoren zum Aluminiumkühlkörper.
Schließen Sie einen 50Ω-Dummy-Load an den Pin „TX out“ an um das erzeugte Sendesignal abzunehmen.
Verbinden Sie ein Oszilloskop mit dem Dummy-Load.
Schließen Sie einen Zweitongenerator an den Mikrofoneingang auf der linken Seite der Platine an.
Legen Sie die Leitungen +12V permanent und +12V TX auf ein 12V Netzteil mit integriertem Strombegrenzer. Es sollte mindestens eine 500-mA-Sicherung im Stromkreis vorhanden sein.
Auf dem Oszilloskop sollten Sie nun die typische Wellenform eines angelegten Zweitonsignals sehen. Die Ausgangsspannung sollte im Bereich zwischen 43 und 45 Vss liegen, was etwa 5 Watt Ausgangsleistung PEP entspricht.
Der Messaufbau für den Sender:
Messpannung am Dummy-Load:
Die Frontplatine
Hier sind einige Bauelemente platziert, die sich nicht für einen freitragenden Aufbau eignen. Andre werden frei eingebaut und mit flexiblen Leitungen verbunden. Der Zweck ist, dass der QRPer so viele seiner eigenen Komponenten wie möglich verwenden kann, ohne bestimmte spezifische Teile mit bestimmten Abmessungen kaufen zu müssen. Schauen wir uns zuerst das Layout an:
Hinweise:
- Das OLED ist ein 1,3-Zoll-Display mit einem Controller vom Typ SH1106. Es können auch andere OLEDs verwendet werden (SSD1306), dies erfordert jedoch eine geringfügige Änderung der Software.
- Achten Sie beim OLED auch auf die Polarität von VDD (+) und VSS (GND). Bei einigen OLED-Typen können diese vertauscht sein. Für alle OLED-Typen sind Leiterplatten erhältlich, daher sollte keine Verwechslung auftreten. Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an peter(at)dk7ih.de
- Die Ausschnitte in der Platine sind vorgesehen, um Leitungen von besimmten Anschlüssen zu einer anderer Stelle auf der Platine oder einer anderen Baugruppe zu führen.
- Die Schalter sind Standard-Minitaster.
Die zusammengebaute Frontplatte:
Hinweise:
- Die 3 Pins in der linken unteren Ecke sind für das Potentiometer der RX-Verstärkungssteuerung, das auf der Rückseite der Platine angeschlossen ist.
- Rechts in der Mitte sieht man einen 3-poligen Stecker für den Drehgeber. Dieser Drehgeber hat nur die Anschlüsse „A“ und „B“ aber keinen zusätzlichen Schalter.
- Abstandshalter haben die Gewindegröße „M2“ und müssen in der Länge individuell angepasst werden, damit die Frontabdeckung zur Konstruktion passt.
- Die 3 Leitungen (rot, gelb, grün) verbinden das OLED it der Hauptplatin. Sie repräsentieren: VDD (5V), SCK und SDA (in dieser Reihenfolge)
- Das Audio-Lautstärkepotentiometer sollte mit einem abgeschirmten Audiokabel angeschlossen werden, um eine Einkopplung von Streuenergie zu vermeiden, die vom OLED emittiert wird. Zu diesem Zweck eignen sich am besten alte Soundkartenkabel von Computern, da diese zwei Audioleitungen innerhalb der Abschirmung haben.
- Die SMA-Buchse zum Anschließen der Antenne ist direkt in der vorderen Abdeckplatte montiert.
- Diese Baugruppe kann mit einer Frontplatte aus Kunststoff ausgestattet werden. Eine Vorlage für dieses Teil ist auf Anfrage erhältlich (peter(at)dk7ih.de)
Dann wird alles in das U-förmige Unterteil des Gehäuses eingebaut:
Für erste Test-QDOs müssen noch 2 HF-Leitungen (50Ω Wellenwiderstand) installiert werden, dann kann es losgehen:
- Nr. 1: Vom Anschluss „TX-Antenne“ auf der Schaltplatine an der Rückseite zum Anschluss „TX out“ auf dem Mainboard (auf dem Foto die graue abgeschirmte Leitung in der Nähe der HF-Leistungstransistoren), und
- Nr. 2: Ein Kabel, das vom “ANT out”-Anschluss der Schaltplatine zur SMA-Buchse in der Frontabdeckung führt.
Ab diesem Punkt sind erste Test-QSOs möglich. Viel Erfolg! 🙂
Bleiben Sie dran… 🙂
73 de Peter (DK7IH)