Historisches: Clapp-VFO mit DAFC

Ein OM fragte neulich nach Unterlagen des im Artikel "Selbstbau-TRX" erwähnten 5-5,5 MHz-VFO. Dieser erste VFO in meinem damaligen RX, der die abstimmbare Basis einer aufwendigen LO-Schaltung mit XO's und VCO's je Amateurband und einer PLL bildete, war in vergangenen Zeiten mal Stand der Technik der Frequenzaufbereitung. Dieses Prinzip wurde auch noch im QRP Project Black Forest [1] angewandt. Also nochmal in alten Geschichten aus dem Jahr 2007 gekramt. Eigentlich noch weiter zurück, denn mein allererster VFO in der 1960er Jahren war auch ein Clapp, allerdings in Röhrentechnik. So wird Bewährtes zur Gewohnheit.

1   Der Clapp-VFO

Der Clapp-VFO ist eine Abwandlung des Colpitts-VFO mit Serienschwingkreis L-tune & C-tune.

Clapp VFO Prinzip

Abb. 1: Clapp-VFO, Prinzipschaltung.

Der Schwingkreis wird aus der Induktivität L und den Kapazitäten Co sowie der Serienschaltung C1 und C2 gebildet. Die Kondensatoren C1 und C2 ("C-feedback") bewirken als Spannungsteiler die Rückkopplung von der Source zum Gate. Dieser Spannungsteiler transformiert die an der Source abgegriffene Rückkopplungsspannung hoch zum Gate. Damit kann sogar ein Sourcefolger mit V ~ 1 den LC-Kreis zur Schwingung anregen.

Weiterhin minimieren die hohen Kapazitäten C1 und C2 parallel zum Transistor den Einfluss dessen Kapazitäten. Sie wurden hier ohne großes Federlesen mit identischen Werten dimensioniert. Soweit es die Verstärkung des Fet bis zum Schwingungsabriss erlaubt, kann deren Verhältnis C1/C2 < 1 gewählt werden. Häufige Dimensionierungen C1/C2 ~ 2/3. Der feste Rückkopplungsfaktor aus C1 und C2 ergibt eine weitgehend konstante Ausgangsspannung über einen großen Abstimmbereich. Der Clapp ist also der bessere Colpitts.

Aus den Größenverhältnissen Xc (= 1 / ω C), d.h. Co ist deutlich kleiner als C1 und C2, wird offensichtlich, dass die Resonanzfrequenz fo hauptsächlich vom Abstimmungskondensator Co bestimmt wird, siehe Abb. 1.

Anhaltspunkte für die Berechnung wurden [2] entnommen.

Mit XL = 2*π*f*L, XC = 1 / (2*π*f*C) und f = 5,25 MHz ergeben sich aus den Richtwerten der Reaktanzen XL und XC

L-tune = 9,1 µH
C-tune = 152 pF
C-feedback = 673 pF
RFC = 300 µH.

Auf die Schnelle mit einem J310 und Drehko-Abstimmung aufgebaut ergab sich auf Anhieb eine Frequenzstabilität von ca. 1 Hz pro 10 sec nach 30 min. Aufwärmzeit. Nun sollte die Abstimmung aber elektronisch mit Varicaps erfolgen. 2 Mal BB112 gegensinnig in Serie waren ein Schlag ins Wasser – wesentlich instabiler. Stattdessen waren 4 Paare SMD-Dioden BB629, auch jeweils gegensinnig in Serie um einiges besser. Eine BB629 gestattet eine Kapazitätsvariation von ca. 4 bis 40 pF bei einem Spannungshub von 20V. Das führte zu nachfolgender Schaltung:

Clapp VFO

Abb. 2: Der fertige Clapp-VFO 5,0 – 5,5 MHz.

Die "Temperaturkompensation" mit NP0- und N033-Kondensatoren wurde rein nach Gefühl und gerade vorrätigen Werten vorgenommen, um den irgendwie positiven Temperaturkoeffizienten der Schwingkreisspule auszugleichen. Die Basis-Emitter-Diode des NPN-Transistors in der Zuführung der Abstimmspannung, nahe bei den Abstimmdioden D1/D2 angebracht, bewirkt ebenfalls eine Temperaturkompensation.

Mit ein wenig Rechnerei anhand des Datenblattes der BB629 und Probieren mit den Festkondensatoren wurde ein Abstimmbereich von ca. 4,91 bis 5,55 MHz bei einem Spannungshub 0 bis 20V erreicht.

Parallel zu den Abstimmdioden D1/D2 liegt der Nachstimmkreis für die digitale Frequenzkorrektur. Hier wird eine rote 3 mm-LED als Abstimmdiode "missbraucht". Diese liefert zusammen mit dem Verkürzungskondensator 15pF eine Frequenzvariation von ca. 1 kHz/Volt.

Der zweite J310 puffert als Sourcefolger den Nachverstärker mit einem 2N3904, gefolgt von einem Tiefpass. Anders als bei einem Emitterfolger ist die Spannungsverstärkung eines Sourcefolgers mit einem relativ kleinen Sourcewiderstand deutlich kleiner als 1. Mit den nur für die HF wirksamen Drosseln in beiden Sourcekreisen wird dem begegnet. Die Sourcewiderstände zur Einstellung des DC-Arbeitspunktes sind für HF mit den Kondensatoren überbrückt.  Die Ausgangsspannung ist mit ca. 1,7 Vss über den Abstimmbereich fast amplitudenkonstant.

Der VFO wurde in einen kalten Thermostat aus 5 mm Alu-Blech eingebaut.

2   Sperrwandler für die Abstimmspannung

Mit der Versorgungsspannung von 12V im RX war kein Staat zu machen. Also musste ein Spannungswandler auf mindestens 20V her. Hier wurde eine Anleihe aus dem QRP Project DipIt [3] mit kleinen Erweiterungen genommen.

12/24V-DC-Wandler

Abb. 3: Spannungswandler 12 auf 24V.

Die Abstimmspannung wird mit einem 20k 10-Gang Präzisions-Poti eingestellt.

3   Die digitale Nachstimmung (DAFC)

Mit dem kalten Thermostat war die Frequenzkonstanz des VFO nicht einmal schlecht, aber noch nicht gut genug. Im Internet gibt es unter dem Begriff "DAFC" (Digital automatic frequency control) oder "Huff-Puff" (eigentlich "vor lauter Anstrengung laut schnaufen" oder so) eine Menge Veröffentlichungen, z.B. [4], [5]. Näher betrachtet wurde [4], ist zwar holländisch, aber näherungsweise zu verstehen.

DAFC

Abb. 4: Die DAFC-Schaltung (Huff-Puff).

Die Wirkungsweise ist im QEX-Artikel Feb. 1996 [5], zweite Quelle, beschrieben. Vom Prinzip her handelt es sich um eine PLL-Schaltung, wobei die mit den Ripple-Countern HC4060 heruntergeteilte VFO-Frequenz mit der Frequenz eines Quarzoszillators im HC74 gemischt wird. Die Schaltung funktionierte auf Anhieb. PA0FRI hat im Gegenkopplungszweig des CA3140 eine Reset-Vorrichtung mit Taster und Relais vorgesehen für den Fall, dass die Regelung aussetzt und auf Minimal- oder Maximalspannung läuft. Ergänzend hierzu habe ich am Ausgang "Control voltage out" noch einen Komparator mit einem TL082 zugefügt, um diesen Zustand mit einer LED auch anzeigen zu können. In der langen Zeit, in der der VFO im RX treue Dienste geleistet hat, ist dieser Zustand aber nie eingetreten, daher in Abb. 4 als "optional" gekennzeichnet. Auf alle Fälle müssen beide 2,2 µF -Konden-satoren in der Gegenkopplung und am Ausgang des CA3140 von guter Qualität sein, z.B. WIMA MKS-02 (keine Elkos/Tantal).

4   Erreichte Frequenzkonstanz

Der noch auf Lochrasterplatten ohne irgendwelche thermische Abschirmungen zusammengenagelte VFO musste vor der Anfertigung der Platinen und Gehäuse erst einmal zeigen, was er so kann. Und das sah gar nicht mal so schlecht aus.

Frequenzdrift

Abb. 5: Frequenzdrift unmittelbar nach dem Einschalten.

Innerhalb der ersten 14 Minuten nach dem Einschalten driftete die Frequenz um insgesamt 13 Hz nach unten, wobei eine Verlangsamung der Drift erkennbar ist. Das gleiche Bild als Differenzauswertung zwischen zwei Folgemessungen nach je 10 Sekunden, die zum Ablesen des Frequenzzählers gebraucht wurden, in der folgenden Abbildung.

Frequenzvariation

Abb. 6: Differenzielle Frequenzänderungen je 10 Sekunden.

Nach weniger als 10 Minuten pendeln sich die Frequenzänderungen je 10 sec. auf den Wert 0 +/- 0,3 Hz ein. Wohlgemerkt, im offenen Testaufbau auf Lochrasterplatten. Nach dem endgültigen Einbau in den RX bestätigten sich die vorab gemessenen Daten. Der VFO ist quasi quarzstabil. Der kalte Thermostat, Relikt aus meiner Bastelzeit, als an solche digitalen Raffinessen noch nicht zu denken war, wäre womöglich gar nicht notwendig gewesen. Allerdings erzeugte der damit aufgebaute LO mit den XO's, VCO's und der PLL unangenehm viele Pfeifstellen. Das führte schließlich zu dem neuen LO mit dem Si570.

Aber - und das war die damalige Motivation - dieser fast quarzstabile VFO kommt auch ohne Microcontroller aus. Davon hatte ich damals noch keinen Schimmer. Und, so ist es vielfach zu erfahren, werden alte Kurzwellenschätzchen  immer noch liebevoll am Leben gehalten. Hier könnte alleine schon eine DAFC einem in die Jahre gekommenen VFO neue Flügel verleihen.

5   Realisierung

Clapp-VFO Bausteine

 

Referenzen

[1] http://www.qrpproject.de/Media/pdf/BFManual_Rev2.pdf
[2] http://www.electronics-tutorials.com/oscillators/colpitts-oscillators.htm
[3] http://www.qrpproject.de/Media/pdf/DipIt_1_3.pdf
[4] http://pa0fri.home.xs4all.nl/Diversen/VFOstab/vfostab.htm
[5] http://www.qsl.net/py4bl/vfoesta.htm
      http://www.qsl.net/py4bl/vfo/qexfeb96.zip

Einordung: