Generator (VFO/DDS) wg. LU5DJV

Spis treści

VFO/DDS LU5DJV

Potrzebowałem prostego i taniego generatora wielopasmowego (100kHz-30MHz), z możliwością generowania sygnału na określonej wstędze (zakresy łączności amatorskiej na KF) oraz definiowaniem przesunięcia częstotliwości tak ze względu na stosowanie przemiany częstotliwości, jak różnych metod modulacji.

Z wielu układów wybrałem projekt zaprezentowany przez Felipe Alberto Calcavecchia (LU5DJV). Dostępność i relatywnie niska cena modułów DDS (opartych na układach AD9850/51) pozwala dość szybko zbudować taki generator. Układ ma wszystko czego potrzebowałem, był prosty i dobrze opisany.

Wersja prototypowaSynteza sterowana jest przez PIC16F628A (prototyp w wersji DIP, ostatecznie - SOIC), co było dodatkową zaletą, gdyż nie tylko posiadałem programator Brenner 8P, ale i egzemplarz PIC'ka zalegał w szufladzie.

W prototypie wykorzystałem moduł DDS z układem AD9850 (czasami oznaczany jako HC-SR08). Chcąc uniknąć żmudnego wiercenia otworów zaprojektowałem płytkę dla elementów (R,C) SMD. Wersja LU5DJV została opracowana w technologii THT.

Uzyskane efekty potwierdziły walory użytkowe prezentowanego układu i zachęciły do zbudowania wersji finalnej. Lekko rozbudowanej i na module DDS oznaczonym jako BK009 (ostatnio bardziej dostępnym).

Na stronie LU5DJV dostępne są: opis układu (po angielsku), wsady (hex) dla PIC'ków (En- 1.3), rysunki płytki i rozmieszczenia elementów (THT).

Moduły syntezy HC-SR08 i BK009

Moduły syntezy :BK009 i HC-SR08Przystępując do projektowania płytki po weryfikacji dostępności elementów składowych zauważyłem, że posiadany przeze mnie moduł DDS o oznaczeniu HC-SR08 "zniknął" z ofert wielu firm.

Po krótkiej analizie okazało się, że jakkolwiek jest dostępny na zagranicznych portalach aukcyjnych to jego cena jest nieco wyższa od ceny innego (dostępnego w Polsce w cenie ok. 35-40PLN) modułu DDS. Ten drugi oznaczany jest czasami przez dystrybutowów jako "DDS module AD9850 type BK009".

Funkcjonalnie oba moduły są (niemal) jednakowe, a istniejące różnice konstrukcyjne w prezentowanym zastosowaniu nieistotne. "Największym" kłopotem jest fakt, że w (nieco mniejszym gabarytowo) module BK009 układ wyprowadzeń jest: 2x7pin+7pin (raster 2,54mm). Jest to istotnie mniej korzystny układ niż ten występujący w module HC-SR08, tj. szeroko rozstawiony (pasujący do płytek stykowych) 2x10pin. Ale... da się! :)Generatory 125MHz modułów DDS

Uwaga: Terry Mowles (VK5TM) (za Egbertem PA0EJH) wskazuje, że niektóre z modułów DDS wyposażono w generatory kwarcowe (125.000MHz) o maksymalnym napięciu zasilania równym 3,3V. Generatory te różnią się oznaczeniem.

Natomiast wizualna ich ocena (co do wielkości napięcia zasilania) może być utrudniona lub wręcz niemożliwa. Zasilanie ich napięciem 5V skutkuje ich nieodwracalnym uszkodzeniem. Zdarza się, że uszkodzenie to następuje ze zwłoką (nawet do 1 tygodnia).

W przypadku modułów tego rodzaju koniecznie trzeba odpowiedni stabilizator zamienić na wersję 3,3V lub włączyć w szereg ze stabilizatorem 5V 2 diody krzemowe (nie Schotky!).


 Opis i instrukcja

Generator LU5DJV (mod. SP4IRX)(niniejszy opis jest moim - niemal - dosłownym tłumaczeniem anglojęzycznej wersji instrukcji obsługi urządzenia zamieszczonym przez Felipe Alberto Calcavecchia (LU5DJV) na jego stronie.  Własne dopiski oznaczyłem italikiem)

Urządzenie przewidziane jest do wykorzystania jako generator w.cz. w zakresie częstotliwości od 0 do 40MHz. Ewentualnie jako VFO (generator o zmiennej częstotliwości) w urządzeniach krótkofalarskich z uwzględnieniem przemiany częstotliwości (częstotliwość posrednia, IF) oraz przesunięcia nośnej dla SSB lub CW.

Praca urządzenia

Częstotliwość generatora można zmieniać za pomocą enkodera z wyborem kroku: 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz i 10kHz. W zależności od wybranego trybu pracy generatora wartość wyświetlanej na wyświetlaczu LCD częstotliwości wyjściowej uwzględnia zastosowanie częstotliwości pośredniej i przesunięcie ze względu na tryb modulacji (USB, LSB, CW).
Częstotliwość generatora może być przełączana pomiędzy pasmami. Można też przełączać się pomiędzy dwoma VFO (A i B) co pozwala na pracę w tzw. dupleksie, nadając na jednej częstotliwości, odbierając na innej. Informacje o: paśmie, aktualnej częstotliwości (z uwzględnienie przesunięć i wstęg), trybie pracy urządzenia i/lub wstędze wyświetlane są na wyświetlaczu LCD 2x16.

Praca z generatorem

Układ jest zasilany z odpowiednio wyfiltrowanego źródła napięcia stałego (9-12V). Po włączeniu generator zawsze uruchamia się w trybie i na paśmie używanym w chwili jego wyłączenia. Napięcie w.cz. na wyjściu wynosi ok. 1Vpp. Generator wyposażono w 4 przyciski "chwilowe" (w mojej wersji dodatkowe 2 przyciski: szybka zmiana wartości w dół i w górę). Działanie niektórych z nich jest zależne od czasu ich wciśnięcia, bo niektóre z nich mają podwójną funkcję. Krótkie przyciśnięcie aktywuje funkcję podstawową, długie - specjalną.
Przycisk Rx/Tx czy wyłącznik PTT służą do uruchomienia VFO, gdy znajduje się ono w trybie generatora (GEN). W trybie GEN (bez wciśnięcia PTT lub przełączenia z Rx na Tx) na wyjściu nie ma sygnału w.cz.!

Przycisk zmiany pasm:

Wciskając przyciski zmiany pasm następuje ich cykliczna zmiana (w tym też "nowych"): 160m, 80m, 40m, 30m, 20m, 17m, 15m, 12m, 10m. Urządzenie pamięta pasmo, jakie było ustawione w chwili jego wyłączenia.

Przycisk zmiany trybu pracy generatora

Wciskając przyciski zmiany trybu następuje ich cykliczna zmiana: tryb generatora (GEN, generowana częstotliwość podstawowa, bez uwzględniania przesunięć wynikających z zastosowania: częstotliwości pośredniej - dom.: 5,1MHz), dolnej (LSB) lub górnej (USB) wstęgi SSB - dom. 1,5kHz, przesunięcia dla CW - dom.: 750Hz).

Przycisk zmiany VFO AB i tzw. SPLIT'u

Wciskając krótko przycisk VFO następuje przełączenie VFO z A na B. I odwrotnie.

Warto wiedzieć, że urządzenie pamięta (oddzielnie) dla poszczególnych VFO następujące parametry: pasmo (częstotliwość), tryb pracy (GEN, LSB, USB, CW)  krok zmiany częstotliwości (10kHz, 1kHz, 100Hz, 10Hz).
Wciskając dłużej ten przycisk wywołujemy pracę generatora w trybie SPLIT. Tzn. tryb pracy VFO (LSB/USB/CW) będzie się zmieniał w chwili przełączenia pracy VFO z Rx na Tx. Na wyświetlaczu pojawi się napis "Spl".
By wyłączyć pracę w trybie SPLIT wystarczy ponownie wcisnąć na dłużej przycisk zmiany VFO. Napis "Spl" na wyświetlaczu zniknie.

Przycisk zmiany kroku częstotliwości i ustawień (Setup)

Jest to przycisk pokrętła enkodera. Wciskając na krótko pokrętło spowodujemy cykliczną zmianę kroku zmiany częstotliwości przy jego obrocie. Krok ten wynosi odpowiednio: 10Hz, 100Hz, 1kHz lub 10kHz.  Odpowiednia pozycja odczytu częstotliwości na wyświetlaczu zostanie podkreślona.
Wciskając dłużej przycisk enkodera przechodzimy do pozycji ustawień (Setup). Obracając pokrętłem enkodera zmieniamy pozycje menu. Wciskając - będąc w tym trybie - na krótko przycisk enkodera przechodzimy do zmiany wartości wybranej pozycji menu. Pozycje ustawień menu to:

  1. Częstotliwość pośrednia (OFFSET I.F., dom.: 5 100 000 Hz): W celu ustawienia tejgo parametru urządzenie musi znajdować się w trybie Rx. Po wybraniu tej opcji urządzenie automatycznie przejdzie w tryb generatora i na wyświetlaczu zostanie wyświetlona jej wartość. Obracając pokrętłem enkodera możemy zmieniać jej wartość.
    Wciśniecie pokrętła enkodera będzie powodowało zmianę (pozycji) kroku zmian.
    By zatwierdzić wprowadzone zmiany należy na dłuższą chwilę przycisnąć przycisk enkodera.
  2. Częstotliwość przesunięcia wstęgi SSB (SSB OFFSET, dom.: 1500Hz) Wartość tego parametru równa się połowie szerokości pasma przepustowego filtra SSB. Przy szerokości pasma równej 3000Hz wartość parametru winniśmy ustawić na 1500Hz. Wartość maksymalna to 4090Hz.
    Wartość parametru ustala się dla górnej wstęgi bocznej (USB). W przypadku DSB do częstotliwości oscylatora lokalnego (LO) dodaje wartość przesunięcia. Dla wstęgi USB odejmuje przesunięcie SSB od częstotliwości LO. Aby zatwierdzić wprowadzone zmiany należy na dłuższą chwilę przycisnąć przycisk enkodera.
  3. Częstotliwość przesunięcia dla CW (OFFSET CW, dom.: 750Hz)
    Analogicznie jak w przypadku przesunięcia dla SSB, ale wartość parametru winna być odpowiednia dla szerokości pasma filtru CW. Zwróć jednak uwagę, że przesunięcie odbywa się zawsze w obrębie górnej wstęgi bocznej (USB). Aby zatwierdzić wprowadzone zmiany należy na dłuższą chwilę przycisnąć przycisk enkodera.
  4. Przemiana częstotliwości (CONVERSION):
    Określa czy wartość częstotliwości pośredniej (IF) będzie dodawana czy odejmowana od częstotliwości generatora lokalnego (LO): LO+IF lub LO-IF (ew. dla IF>LO => -(LO-IF)). I tak dla częstotliwości pośredniej 9MHz w trybie dodawania częstotliwość generatora lokalnego wyniesie 16MHz. W trybie odejmowania (LO-IF) odpowiednio 2MHz. Aby zatwierdzić wprowadzone zmiany należy na dłuższą chwilę przycisnąć przycisk enkodera.
  5. Kalibracja kwarcu (CAL. XTAL) ta opcja pozwala skorygować drobne odchyłki generatora kwarcowego syntezy (DDS) i ustawić odpowiednio częstotliwość wyjściową generatora. Do kalibracji użyj dokładnego częstotliwościomierza lub zdudnij sygnał generatora z sygnałem znanej stacji radiostacji nadawczej.
    Urządzenie winno pracować w trybie generatora (GEN). Na wyświetlaczu ustaw tak częstotliwość by odpowiadała częstotliwości nadawania tej stacji. Następnie wciśnij pokrętło enkodera (tryb Setup) i wybierz opcję "CAL. XTAL.". Jeśli sygnał zdudnień jest różny od zera i/lub zewnętrzny częstotliwościomierz wskazuje inną częstotliwość wyświetlacz urządzenia pokręć enkoderem tak by uzyskać zdudnienie obu sygnałów i/lub gdy częstotliwości wskazywane przez zewnętrzny częstotliwościomierz będą identyczne jak widoczne na wyświetlaczu.
    Aby zatwierdzić wprowadzone zmiany należy na dłuższą chwilę przycisnąć przycisk enkodera.
  6. Znak użytkownika (QRA)
    W momencie uruchomienia generatora na wyświetlaczu pojawia się sygnatura autora projektu (Felipe Alberto Calcavecchia (LU5DJV)) oraz QRA użytkownika. Wartością domyślną tej drugiej jest również znak LU5DJV. Ale można go zmienić na własny lub wyczyścić. Do dyspozycji mamy 6 miejsc. Dopuszczalne znaki to: spacja, litery, cyfry, <, =, >, ?, @.
    Zmiana wartości na pozycji następuje w wyniku kręcenia pokrętłem enkodera. Przejście pomiędzy pozycjami następuje po (krótkim) wciśnięciu przycisku enkodera. 7 wciśnięcie zatwierdza wprowadzoną informację.

Przywracanie wartości predefiniowanych (RESTORING VALUES)

W przypadku awarii lub błędów w pamięci wewnętrznej mikroprocesora niezbędnym będzie zresetowanie urządzenia, czyli przywrócenie wartości predefiniowanych (domyślnych).
Aby to zrobić należy:

  • wyłączyć napięcie zasilające,
  • wcisnąć przycisk enkodera i
  • włączyć zasilanie urządzenia.

Na ekranie wyświetlacza najpierw winien ukazać się napis "DEFAULT VALUES" (wartości domyślne) a następnie komunilat informacyjny (VFO - DDS v. 1.3,LU5DJV // LU5DJV). Po chwili winno wyświetlić się wskazujące na ustawienie urządzenia na paśmie: "160m (1.800.000Hz)" w tybie generatora: GEN, Rx, vfo->A". Czyli by uzyskać sygnał w.cz. należy wcisnąć PTT lub przełączyć z trybu Rx na Tx.


Konstrukcja generatora

Schemat wersji finalnej (bez sterownika)

Analiza układu prototypowego oraz zebrane doświadczenia skutkowały zbudowaniem wersji finalnej, w której główne zmiany (w stosunku do prototypu) polegały na: zamianie modułu DDS na BK009, zastosowanie PIC'a w obudowie SOIC18 (SMD), zredukowanie ilości regulatorów napięcia (z 3 na 2, TO220 i D-PACK na 2xSO223) oraz rozbudowanie systemu enkodera.

Chcąc zaprojektować nową płytkę (dla BK009) założyłem, że PIC będzie w obudowie typu SOIC18. Ponieważ PIC16F628A znajduje się fizycznie pod płytką modułu syntezy ta ostatnia została umieszczona w podstawce.

Wersja ostateczna (?)Jedynym "mankamentem" ;) (również podnoszonym przez dyskutantów na forum) był fakt, że operowanie enkoderem przy "dalekim" odstrojeniu się od predefiniowanej częstotliwości wymagało długiegio kręcenia. To zainicjowało koncepcję zdublowania enkodera układem, który będzie zwiększał/zmniejszał częstotliwość po wciśnięciu przycisku. Opis układu sterowania znajduje się w artykule: "Funkcjonalny "face lifting" enkodera, czyli..."

Na schemacie (wersji finalnej) przedstawiono układ generatora, bez układu sterowania. Modyfikacja generatora polega nie tylko na zmianie sterownika, ale również na dodaniu wzmacniacza sygnału wyjściowego. Autor takie rozwiązanie przewidział w kolejnej (rozbudowanej) wersji generatora. Zbyt niskie napięcie uzyskiwane bezpośrenio z syntezy było zgłaszane autorowi projektu na forum LU5DJV.

Układ elementów na stronie górnej (modułu DDS)Zmieniłem również układ zasilania i sterowania wyświetlaczem (LCD, 2x16+LED, sterownik zgodny z HD44780).

Generator wraz ze sterownikiem mieści się w obudowie Z5a (wym.: 110x90x49mm), z tworzywa (polistyren, czarny) z panelem przednim i tylnym. Koszt wszystkich elementów to ok. 50PLN.

Widok elementów na stronie dolnejZaprojektowanie i wykonanie płytki prototypowej nie zajęło zbyt wiele czasu. 

PrasowankaPrasowanka jest już odwrócona. Jak widać otwory są wytrasowane jedynie na dolnej warstwie. Na górnej są jedynie (skrajne) 4-ry. Do pozycjonowania "na szpilkę".

 

 Uruchomienie generatora

DDS wg. LU5DJV - wersja finalnaIC1 PIC16F628A (SOIC18) został wlutowany w płytkę jako pierwszy. Następnie przyłączono go do programatora Brenner 8P za pomocą przewodów przylutowanych do odpowiednich ścieżek. Proces programowania przebiegł bez problemów.

Autor w jednym z rozwiązań jako tranzystor wzmacniacza końcowego wskazuje 2N3904. Zastosowałem BFR93A, który mimo 2-krotnie niższej mocy na razie się ... "nie usmażył". Czas pokaże...

Co ciekawe wersja smd tranzystora 2N3904 (MMBT3904) ma mniejszą (250mW) moc Ptot od tranzystora BFR93A (300mW). Na razie przyglądam się...

Sterowanie bazą...Jedna uwaga: w układzie Felipe Alberto Calcavecchia (LU5DJV) sterowania bazy tranzystora wzmacniacza sygnału zastosowano rezystor 560om. Z moich pomiarów wynika, że jego wartość winna wynosić minimum 1,8kom. Wartość tę można co prawda zwiększyć (przy większych napięciach zasilania), ale by układ dobrze pracował w zakresie napięć (zasilania): 8-12V jego optymalna wartość wynosi 1,8kom.
W układzie, na którym się wzorowano zastosowano nawet mniejszą wartość (bo 470om), lecz wartość rezystora pomiędzy kolektorem a bazą wynosi tam 1k, a nie... 5k6.

Przygotowanie gniazda modułu syntezySposób sterowania syntezą powoduje, że szyną danych jest szyna D7. Natomiast pozostałe przyłączone są do: plusa zasilania (D0, D1) lub masy (D2 - D6). Odpowiednie przygotowanie (kynarem) gniazda modułu syntezy uprościło przebieg prowadzących do niej ścieżek na płytce.

Transformator wyjściowyZamiast wskazanego przez autora rdzenia FT37-43 (8zw. bifilarnie DNE 0,3, ok. 100uH) zastosowałem dwuotworowy rdzeń (RKS13/7, 5zw. DNE 0,3, ok. 88uH) z symetryzatora antenowego (zdjęcie z prototypu).

Układ poprawnie działa przy napięciu zasilającym od 8V do 12V. W "prototypie" moduł syntezy zasilany jest ze stabilizatora 7805 w obudowie TO220. Pozostałe układy (PIC i wyświetlacz) - ze stabilizatora 78M05 w obudowie D-PACK. Nie zauważyłem nadmiernego nagrzewania się stabilizatorów.

Dlatego w wersji finalnej zastosowałem stabilizatory LM1117-5 (SOT-223). Przy zasilaniu układu napięciem większym od 11V po pewnym czasie stabilizator zasilający moduł syntezy jest wyraźnie ciepły, ale nie gorący. Przy 13,8V jest mocno ciepły.

Pierwotnie wyposażyłem układ w gniazdo umożliwiające zasilanie go z baterii 9V (6F22).  Jednakże pobór prądu wynosi ok. 160-200mA. I z zasilania bateryjnego zrezygnowałem. Choć jest możliwe.

Układ "ruszył" od razu i pracował pewnie w całym zakresie częstotliwości. Poniżej częstotliwości 1kHz(!) czasami odczyt częstotliwości podawał zaskakujące (niezgodne z rzeczywistością) wartości. Powyżej tej wartości wszystko było OK.

Kształt generowanego sygnału i amplituda (1,5-1,1Vpp na 50om) były na zadowalającym poziomie. Z oczywistych względów (parametry modułu) powyżej 30MHz zauważalny jest spadek napięcia wyjściowego.

Jego parametry użytkowe, niewielkie rozmiary i łatwość obsługi spowodowały, że jest użytecznym przyrządem w moim warsztacie.

Jeśli jesteś zainteresowany tym co jeszcze udało mi się zrobić z lutownicą w ręku zapraszam do Warsztatu krótkofalowca.


Poniżej prezentuję obrazy przedstawiające przebiegi RF na wyjściu generatora (obciążenie 50om) na wszystkich predefiniowanych częstotliwościach:

Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF
Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF Przebiegi wyjściowe RF