Artikel, welche dieses Projekt beschreiben:
Einführung
Nachfolgend soll ein kompakter QRP-SSB-Transceiver vorgestellt werden. Dieses Gerät deckt 5 Bänder innerhalb des Amateurfunkspektrums ab (3,5, 7, 14, 21 und 28 MHz). Nach einer Modifikation wurde das ursprünglich vorhandene 28MHz-Band entfernt und durch 18MHz ersetzt. Der Empfänger ist ein Einfachsuperhet mit einer Zwischenfrequenz von 9 MHz. Der Sender besitzt 5 Stufen und hat eine Leistungsendstufe in Gegentaktschaltung, die 10 Watt PEP-Ausgangsleistung auf allen Bändern abgibt.
Die Frequenzaufbereitung erfolgt durch integrierte fertige Module, in diesem Projekt ein Si5351 als VFO und LO. Der Mikrocontroller (MCU) ist ein Arduino Pro mini mit einem ATMega328, der ein farbiges TFT-LCD mit einem ST7735-Chipsatz ansteuert.
Das gesamte Gerät ist weitestgehend in SMD aufgebaut (sofern entsprechende Bauteile in SMD vorhanden sind), kann aber auch in “Thru Hole”-Technik oder als Mischung unter Verwendung beider Techniken aufgebaut werden.
Das Gerät wird in einen Einbaurahmen aus Aluminiumblechen genormter Breite eingebaut. Die Größe des gesamten Gerätes beträgt 17 x 12 x 5 Zentimeter. Er ist gewissermaßen der “kleine Bruder” des hauptsächlich für Versuchszwecke konzipierten “Midi6”-Transceivers.
Beschreibung
Der Aufbau eines Multiband-QRP-Transceiver-Projekts ist ein herausforderndes Projekt für den Funkamateur. Die noch größere Herausforderung besteht darin, es so sauber (i. e. exakt) wie möglich zu bauen. Der “Midi6”-Transceiver war eine interessante Studie auf dem Weg hierhin, der mich viele Dinge lernen ließ. Aber dieses Gerät war viel zu sperrig für meine Bedürfnisse (ich bevorzuge kompakte und leichte tragbare Geräte für Reisen, das Wandern usw.). Andererseits habe ich festgestellt, dass ich das 160m-Band nicht wirklich brauche (aufgrund von Antennenbeschränkungen hier vor Ort). Dadurch waren für den nächsten Multibander mit “klassischem” (d.h. 70er) Layout mit 80, 40, 20, 18 und 10 Metern die Rahmendaten vorgegeben.
Ein wichtiger Punkt war, fertige Module oder “Breakout-Boards” für die digitalen Schaltungen zu verwenden:
- Microcontroller: Arduino Pro Mini ATMega328
- VFO: AD9850-Platine aus China
- LO: Si5351: Ein fertiges Board von Adafruit
Überlegungen zum Entwurf
Zuerst dachte ich darüber nach, den Si5351 als VFO und LO zu verwenden, da er 3 Oszillatoren auf einem Chip enthält. Diese Idee habe ich aber sehr schnell wieder verworfen, weil es zu viele Störsignale gab und der Empfänger dadurch zu viele “Birdies” hatte, die ich nicht akzeptiere. Nachdem ich einige der in China hergestellten AD9850-Boards noch hier im Regal hatte, probierte ich diesen Oszillatortyp aus und war schließlich relativ zufrieden mit der Empfängerleistung.
Der Mikrocontroller und seine Programmierung stellten ebenfalls eine gewisse Herausforderung dar, da ein Arduino Pro Mini für einen Multiband-Transceiver möglicherweise etwas schwach ist, da die Anzahl der Ports sehr begrenzt ist. Aber es hat schlussendlich geklappt, wenn sorgfältig geplant wird und die Optimierung an ihre Grenzen gebracht wurde. Die Portnutzung ist wie folgt:
Es gibt nun auch, was ich eigentlich zu vermieden suche, Doppelbelegungen von I/O-Pins: Hier werden beispielsweise die ISP-Leitungen zur Steuerung des DDS und zum Hochladen der Software auf den Controller verwendet. Dies geschieht, weil die Eingänge des DDS einen hohen Eingangswiderstand haben und welche die ISP-Datenübertragung daher nicht beeinflussen. Andererseits geht der ISP-Programmieradapterer auf “high Z”, wenn keine Daten an die Steuerung zu senden sind. Somit ist ein Testen des Funkgeräts bei angeschlossenen Programmierkabeln möglich.
Das LCD ist ein ST7735 TFT-Farbdisplay, weil ich die OLEDs mit 1306- und 1106-Treibern auf den höheren Bändern zu verrauscht fand, wo das Bandrauschen schwach ist und daher das im Gerät erzeugte digitale Rauschen mehr in den Vordergrund tritt. Und vor allem macht ein farbiges Display viel mehr Eindruck als ein gewöhnliches monochromes. 😉
Mechanischer Aufbau und Sende-/Empfangseinheiten
Für diesen Transceiver habe ich über ebay Aluleisten mit einer Breite von 5 cm bestellt. Die Dicke beträgt 1,5 mm. Aus diesem Material wurde ein sehr robuster Rahmen konstruiert, der dem gesamten Gerät eine sehr gute mechanische Stabilität verleiht.
Haupteinheiten in der Konstruktion
Das Funkgerät basiert sehr stark auf Einzelmodulen. Jede Einheit ist auf ein sehr kleines Stück Veroboard gelötet, das aus einem größeren Stück Material ausgeschnitten wurde. Die Befestigung an der Aluminiumbasis erfolgt durch eingesetzte Muttern mit M2-Gewinde. Der Hauptvorteil ist: Wenn eine Einheit ausfällt, kann sie leicht rekonstruiert und an der Stelle platziert werden, an der der Vorgänger montiert war. Weiterhin ist die Erdung der einzelnen Baugruppen hervorragend, da die kleinen Einzeleinheiten keine langen Erdungskabel benötigen. Die Platinen sind sehr klein sind die 4 Ecken jeder Miniplatine haben alle Massepotential. Speziell zum Sender kann ich sagen, dass ich nie ungewollte Schwingungen hatte.
Der Sender ist auf allen 5 Bändern 100% stabil, was beim ersten “Gimme 5”-Transceiver nicht der Fall war, der schwerwiegende Layoutprobleme im Sender hatte, dessen Bandpassfilter sehr nahe an der letzten HF-Leistungsstufe waren. Aber am Ende sollte man eben immer mehr wissen als am Anfang eines Projektes. So war das auch bei diesen Multiband-Projekten. 😉
Das Bild zeigt eine Nahaufnahme der aus 5 Einzeleinheiten bestehenden Empfängersektion (von links):
- Dual-Gate-MOSFET-Vorverstärker (im Bild durch abgeschirmte Kabel verdeckt) und der Empfangsmischer (SL6440),
- SSB-Filter 9 MHz von box73.de,
- Zwischenfrequenzverstärker (MC1350) und Produktdetektor (Dual-Gate-MOSFET),
- Audio-Vorverstärker (BC547) und Hauptverstärker (3 Transistoren, die 2 Endstufen in Gegentaktschaltung),
- AGC mit OP (LM358) und Bipolartransistoren als Spannungsquellen.
Die gleiche Technik wurde für den Sender verwendet:
Von links beginnend sehen Sie einen SSM2166-Mikrofonkompressor-IC von Analog Devices, welcher auch der Hauptmikrofonverstärker ist. Als nächstes folgt ein AN612-Mischer als DSB-Generator, gefolgt von einem NE612, der als Sendemischer dient.
Die zweite Platine von rechts ist eine 3-stufige Baugruppe die das Sendesignal auf einen Leistungspegel von etwa 150 mW bringen soll (ein Dual-Gate-MOSFET, ein 2N2222 und ein 2SC2314 als aktive Halbleiter in dieser Reihenfolge). Rechts bringt eine Gegentaktstufe bestückt mit 2 2SC2078 und relativ hoher Emitterdegeneration (2 Ohm pro Transistor) die Leistung auf 500mW.
Die Senderverstärkung kann mit einem MCP4725 Digital-Analog-Wandler (DAC) gesteuert werden, der für jedes Band individuell eingestellt wird und viel dazu beiträgt, die Verstärkungserhöhung auf den niedrigeren Bändern zu kompensieren. Dieser DAC ist auch mit dem I²C-Bus des Mikrocontrollers verbunden, und die spezifischen Verstärkungsdaten für jedes Band werden im EEPROM gespeichert und abgerufen, wenn ein bestimmtes Band umgeschaltet wird.
Der finale Senderleistungsverstärker ist auf der mittleren Ebene des Hauptrahmens angebracht:
Auf der linken Seite der TX PA-Einheit befinden sich 2 Leistungstransistoren (2SC1969 von eleflow), die auf einem kleinen Streifen aus 3 mm dickem Aluminium montiert sind, der mit einem anderen, viel dickeren, Block aus Al verbunden ist. Hier kann ein großer Kühlkörper montiert werden, wenn das Gerät getestet wird, oder endgültig im Gehäuse befestigt werden, wenn das Aluminiumgehäuse als Kühlkörper verwendet wird. An den Aluminiumblock angeschlossen ist der Temperatursensor (KTY 81-110), der eine permanente Überprüfung der Temperatur der Transistoren ermöglicht und bei Übertemperatur eine Warnung auf dem LCD ausgibt.
Der Ausgangsübertrager befindet sich unter den beiden PA-Transistoren und ist daher hier nicht sichtbar. Diese „gestapelte“ Bauweise ist sehr platzsparend. Die PA-Transistoren werden an 2,54-mm-Buchsenleisten angeschlossen, wodurch das Halbleiterpaar abnehmbar ist und der Zugriff auf den darunter liegenden Leistungstransformator ermöglicht wird.
Auf der rechten Seite der PA-Sektion befinden sich die Tiefpassfilter für jedes Band, das von einem einzelnen Relais geschaltet wird.
Die Bandfilter (BPF) werden für Sender und Empfänger gemeinsam genutzt und über Relais auf den jeweiligen Zweig geschaltet. Links von der BPF-Einheit befindet sich eine Logikplatine (HCF4028 BCD-Encoder und eine integrierte ULN 2003-Relaistreiberschaltung). Dies ermöglicht das Schalten von 5 Relais, indem nur 3 binär codierte Controller-Ausgangsports verwendet werden.
Die Software wird in C für AVR-Controller geschrieben, wobei der GNU C-Compiler unter Linux verwendet wird. Der Code wird in dem entsprechenden Artikel besprochen, der dieser Einführung folgt.
73 de Peter (DK7IH)