Das Herz dieser Platine ist ein DDS Synthesizer von Analog Devices, der AD9859, welcher eine Ausgangsfrequenz von 0,1 bis 160 MHz erzeugt. Angesteuert wird er von einem ATxMega128A4U Microcontroller, welcher die Fequenz programmiert und per Software FM, AM und CW Testsignale erzeugen kann.
Als besonderes Highlight wurde eine komplette WSPR Bake eingebaut, welche das originale WSPR Protokoll von K1JT beherrscht. Damit kann WSPR Betrieb auf allen Bändern von Langwelle bis 2m durchgeführt werden.
Die Platine hat Ausgänge zur Ansteuerung von Band-Relais einer passenden Endstufe, welche ebenfalls hier beschrieben ist.
Die Grundidee zu der Platine entstand in unserem OV aus dem Wunsch auch auf Mittelwelle (474,2 kHz) in WSPR arbeiten zu können. Da hier kommerzielle Geräte fehlen (zum Glück), darf wieder selbst gebaut werden, und das mit so guten Ergebnissen, dass gleich alle 13 Bänder bis hinauf zu 2m realisiert wurden.
Die WSPR Synchronisation erfolgt per GPS Maus, damit ist erstmals mobiler WSPR Betrieb, mit automatischem Update der Position, möglich !
Frequenzgenauigkeit: 2ppm durch TCXO (temperaturkompensierter Quarzoszillator).
Übersicht:
Der DDS Synthesizer arbeitet vollkommen selbstständig, nur zur Konfiguration wird ein PC via USB angeschlossen. Ist das Gerät eingestellt wird der PC nicht mehr benötigt. Trotzdem kann er angeschlossen bleiben, als Monitor oder für manuellen Änderungen während des Betriebs.
Der AD9859 kann eine beliebige Frequenz im Bereich DC - 200 MHz erzeugen. Die untere Grenze wird durch die Ferritübertrager gesetzt und liegt bei ca. 100 kHz.
WSPR Betrieb: das vollständige WSPR Protokoll ist eingebaut und die Platine kann als autonome WSPR Bake (ohne PC) senden. Die Zeitsynchonisierung wird per GPS Maus gemacht. Die Ausgangsleistung beträgt 50 mW, was bereits für interkontinentale Verbindungen ausreicht. Mit der 5W PA sind täglich alle Kontinente erreichbar.
Bakenmodus: Es sind Baken für verschiedene Modulationsarten eingebaut. Außer dem beschriebenen WSPR kann die Platine auch als CW Bake arbeiten, mit automatischer Pegelregelung für verschieden starke Bakenaussendungen. Außerdem steht eine D-Star Bake zur Verfügung. Ideal um von möglichen Relaisstandorten vorab Messungen zu den Ausbreitungsbedingungen zu machen.
Synthesizer Betrieb: Wenn man schon einen DDS hat, so kann man auch gleich einen schönen Signalgenerator damit bauen. Daher enthält die Platine Funktionen für FM und AM Modulation mit einstellbaren Parametern, sowie einen Wobbler, der z.B. für Filtermessungen benutzt werden kann. Der Frequenzbereich ist in sehr weiten Bereichen einstellbar.
Schaltung:
(zum Vergrößern anklicken):
Die komplette Stückliste mit Bezugsquellen gibt es hier.
Der AD9859 DDS Synthesizer wird von einem Atmel Microcontroller gesteuert. Die Ansteuerung erfolgt mit einem 8 MHz schnellen SPI Bus um ein möglichst schnelles Umschalten der Frequenz zu ermöglichen. Erst so wird FM Modulation und Wobbelbetrieb möglich.
Drei Spannungsregler versorgen die Schaltung. 3,3Volt für den Prozessorteil, 1,8Volt für den DDS Synthesizer und ein 5V Regler versorgt die GPS Maus.
Der USB Anschluss für den PC wurde mit einem FT232RL realisiert, welcher eine virtuelle serielle Schnittstelle via USB zur Verfügung stellt. Da für diesen Chip die Treiber für Windows und Linux automatisch zur Verfügung stehen, ist das eine sehr bequeme Lösung.
Will man ganz ohne PC auskommen, so kann man den DDS auch mit einem Smartphone (Android) via Bluetooth einstellen. Hier kann man z.B. die WSPR Bänder auswählen, die Sendeleistung einstellen usw. Als Bluetooth Modul wird ein sehr preiswert erhältliches Bluetooth-seriell Modul benutzt.
Der Gegentaktausgang des AD9859 wird mit einem 1:1:1 Übertrager von Minicircuits ausgekoppelt. Damit gewinnt man 6dB gegenüber reinen Widerstandslösungen. Hinter dem Kern folgt das für DDS Synthesizer lebenswichtige Ausgangsfilter, welches alles oberhalb der halben Taktfrequenz so gut wie möglich dämpfen muss. Ohne so eines wirkungsvollen Filters wäre ein Betrieb unmöglich da sonst die verrücktesten digital erzeugten Nebenwellen entstehen würden. Mit diesem Filter sind im Nahbereich der Nutzfrequenz Störabstände von kleiner -50dB und weiter weg von kleiner -70dB erreichbar, was für KW Anwendungen sehr gut ist.
Die Ausgangsfrequenz für mit einem MMIC Verstärker auf 100mW angehoben. Damit man den Verstärker nicht überfährt, befindet sich dahinter ein PI-Dämpfungsglied um eine gewissen Anpassung zu erzwingen. Dadurch sinkt zwar die Ausgangsleistung auf 50mW, jedoch wird der Ausgang robust gegen Fehlanpassung was vor allem beim Einsatz als Messgenerator sehr wichtig ist.
Weiters enthält die Schaltung 8 Open-Collector Ausgänge zur Steuerung von Relais sowie einen PTT Ausgang. Dieser Stecker kann per Flachkabel direkt mit dem gleichen Stecker der 5W PA verbunden werden, für eine automatische Bandumschaltung. Die PTT Leitung sorgt zudem dafür dass der Ruhestrom der PA ausgeschaltet wird wenn wir nicht senden.
Und schließlich haben wir noch einen Eingang für eine GPS Maus. Dieser ist flexibel konfigurierbar, damit Mäuse mit 5V oder +-12V Pegel angeschlossen werden können.
Die Platine:
hier der Bestückungsplan, mit Leiterbahnen:
und zur besseren Lesbarkeit ohne Leiterbahnen:
und die fertige Platine:
oben links gehen 3 Drähte zur GPS Maus, unten die Leitungen zu einem optionalen Farb-Display, rechts der Stecker für die Relaisumschaltung der 5W PA Platine. In der Mitte habe ich bei meinem Gerät noch ein Kabel zu einem Frequenzzähler für Abgleichzwecke. Der eingebaute TCXO läuft sehr gut bei besser 1,5ppm das ist auch für WSPR ein guter Wert.
Bestückung:
die Bestückung der Platine ist mit vernünftigem Werkzeug manuell durchaus möglich, ist jedoch nichts für ungeübte Leute im SMD Löten. Man darf keine Angst vor kleinen SMD Bauteilen haben. Daher halten wir für Interessenten fertig bestückte und programmierte Platinen bereit.
Eine genaue Beschreibung des Bestückens spare ich mir, da das sowieso nur Leute tun sollten die genau wissen wie das geht.
Inbetriebnahme:
Man schließt ein regelbares Netzgerät an und stellt dieses zunächst auf 0 Volt sowie die Strombegrenzung auf ca. 250 mA. Jetzt regelt man die Spannung langsam hoch und kontrolliert laufend die Ausgangsspannungen der drei Regler (1,8V und 3,3V und ein Regler mit 5V). Diese Spannungen dürfen keinesfalls höher als geplant gehen, ansonsten muss man abschalten und den Fehler suchen. Bleiben die Spannungen schließlich bei den gewünschten 1,8 und 3,3 bzw 5V stehen, so ist alles ok und man kann die Platine mit den üblichen 13,8V versorgen.
Jetzt steckt man via USB einen PC an. Unter Linux sind die Treiber bereits vorhanden, Windows wird jetzt automatisch Treiber installieren. Danach startet man die PC Software wsprset.exe. Unter Linux muss zuvor das Paket "mono" installiert werden.
Die Software ist selbsterklärend, man füllt die entsprechenden Eingabefelder aus und drückt "SET" um die Einstellungen zur Platine zu senden, fertig.
Nach Anschluss einer geeigneten Antenne oder eines 50 Ohm Dummyloads kann der Synthesizer gestartet werden, entweder im WSPR Modus oder als Messsender bzw Wobbler.
WSPR Betrieb:
zunächst Rufzeichen und QTH Locator (nur die ersten 4 Stellen) eingeben, die Leistung auswählen (bei Betrieb ohne Endstufe sind das 20dBm.
Die gewünschten Bänder als Liste (mit Komma getrennt) eintragen. Also z.B: 630,160,80,40 oder 20,15,10 oder nur 40 usw.
Das Sendeintervall gibt an, wie oft gesendet wird und wieviel Pause gemacht werden soll. In WSPR sind 33% ein üblicher Wert der nicht überschritten werden sollte. Nur bei sehr kleinen Leistungen von kleiner 200mW kann man auf 50% oder gar 100% gehen.
Offset gibt die Sendefrequenz innerhalb des WSPR Bandes an, Eingaben von 1400 bis 1600 sind möglich.
Mit dem Regler HF-Pegel stellt man schließlich die tatsächliche Ausgangsleistung von 0 bis Maximum ein, diese sollte mit dem oben angegebenen Wert übereinstimmen (mit Oszi überprüfen !).
Nachdem die Einstellungen fertig eingetragen sind, die Taste "SET" drücken. Die Daten werden jetzt in der Platine dauerhaft gespeichert. Jetzt klickt man unten auf WSPR-Bake und der WSPR Betrieb beginnt. Ab jetzt ist es unerheblich ob der PC angeschlossen ist oder nicht, er dient nur mehr als Monitor. Die Platine funktioniert auch vollkommen selbstständig.
ACHTUNG: WSPR Betrieb ist nur mit angeschlossener GPS Maus möglich, da eine sekundengenaue Uhrzeit erforderlich ist. Ohne GPS Signal startet der WSPR Sender nicht. Für die Uhrzeit reicht jedoch bereits ein sehr schwaches GPS Signal (in der Nähe des Fensters), selbst wenn hier noch keine Navigation möglich wäre.
Frequenzabgleich:
der Referenzquarz ist ein hochgenauer TCXO, der bereits ab Werk auf 2ppm genau ist.
für Genauigkeits-Fetischisten kann der Referenzquarz der Platine auf 0,1 Hz abgeglichen werden. Dazu lässt man die Platine eine Viertelstunde laufen um auf Temperatur zu kommen. Dann stellt man den Synthesizermodus ein und gibt eine Frequenz von 10 MHz ein (dann SET drücken). Jetzt vergleicht man das Signal mit einem SSB Empfänger mit einem 10 MHz Zeitzeichensender und prüft die Schwebung.
Im Fenster "Einstellungen" kann man jetzt einen Wert eingeben um so die Schwebung auf 0 zu bringen. Üblicherweise sind Werte zwischen -20 und +20 sinnvoll. Es werden 2 Kommastallen ausgewertet. Bei meinem Mustergerät muss ich -0,6 eingeben um aufs zehntel Hz genau zu sein. Diese Einstellung stimmt dann für den kompletten Frequenzbereich der Platine von 100kHz bis 160 MHz.
Synthesizer:
im Synthesizerbetrieb kann eine beliebige Frequenz zwischen 100 kHz und 160 MHz erzeugt werden. Die Auflösung beträgt 1 Hz. Die Genauigkeit, falls abgeglichen, ebenfalls 1 Hz. Die Ausgangsleistung kann zwischen 0 und 50 mW (an 50 Ohm) frei eingestellt werden.
FM Modulator:
die Grundfrequenz wird mit einer wählbaren NF frequenzmoduliert. Maximal kann man 5 kHz modulieren. Der Hub ist in sehr weiten Grenzen einstellbar, mit 1Hz Auflösung. Die FM Modulation wird per Software gemacht indem der DDS entsprechend der NF laufend umprogrammiert wird.
AM Modulator:
die Grundfrequenz wird mit einer wählbaren NF amplitudenmoduliert, dabei ist der Modulationsgrad einstellbar von 0 bis 100%.
AM und FM Modulation kann gleichzeitig erfolgen, ob das Sinn macht ist eine andere Frage, aber es geht.
Wobbler:
im Wobbelbetrieb (Sweep) kann ein beliebiger Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 160 MHz mit einer einstellbaren Geschwindigkeit durchlaufen werden (sägezahnförmig).
Beispiel: um die Bandbreite eines Empfängerfilters zu testen, stellt man zB ein: von 14.100 bis 14.105 mit einer Geschwindigkeit von 1000 ms. Man wobbelt also einen Bereich von 5 kHz. Der Ton hört sich im Empfänger an wie die Spielhölle in Las Vegas, eignet sich aber recht gut um am Oszilloskop die Filterdurchlasskurve anzusehen.
oder
um einen HF-Sendertiefpass zu prüfen, stellt man z.B. ein: von 1 MHz bis 30 MHz in 5000 ms
Jeder andere Bereich kann nach Wunsch eingestellt werden.
Ein analoges Ausgangssignal dass die Frequenz repräsentiert wird ausgegeben. Dieses schließt man an den X-Eingang des Oszilloskops an um ein sauberes stehendes Bild zu erzeugen.
Anschlüsse:
das sind alle Anschlüsse der DDS Platine:
GPS:
1 ... serieller Eingang von der GPS Maus
2 ... GND
3 ... +5V für die GPS Maus
Display SPI:
1 ... GND
2 ... +3,3V
3 ... RS (Control/Data)
4 ... /Reset
5 ... Clock
6 ... MISO
7 ... MOSI
8 ... /CS Chip Select
BlueTooth:
1 ... GND
2 ... ser. Daten vom BT Modul
3 ... ser. Daten zum BT Modul
4 ... +3,3V
1 ... GND
2 ... Sweep Ausgang für X-Achse eines Oszilloskops
3 ... NF Eingang, Modulationssignal
4 ... Eingang von der PwrSwr Platine: FORWARD-Messleitung
5 ... Eingang von der PwrSwr Platine: REVERSE-Messleitung
6 ... digitaler Zusatzanschluss für spätere Erweiterungen
Program:
Anschluss für Atmel Programmiergerät PDI Modus
+Ub Brigde:
hier gibt es 2 Optionen:
1) Kurzschlussbrücke eingelötet: die 13,8 Volt werden zur Versorgung der ganzen Platine benutzt
2) offen, am oberen Pin kann eine Spannung zwischen 7 und 8V angelegt werden, diese wird zur Versorgung des DDS benutzt. Die Spannung am 13,8V Anschluss wird nur mehr für die Endstufe benutzt. Der Vorteil besteht in einer geringeren Leistungsaufnahme der Platine, wenn diese 7V z.B. mit einem DCDC Wandler erzeugt werden.