4 VHF-Frequenzzähler mit Prescaler

FM radio display

Totgesagte leben länger. Ein in der 1970er Jahren gebauter UKW-Tuner mit dem damals legendären FET-Mischteil mit Vierfach-Drehkoabstimmung von Görler sorgt  immer noch unverzagt für Hintergrundbeschallung in meinem Shack. Nur eine Frequenzanzeige hat er nicht. Was liegt da näher, als ihm nun endlich eine solche mit einem AVR-Controller und mit LCD zu gönnen!

Beispielsweise bietet reichelt.de (wie lange noch?) den schon seit Ewigkeiten abgekündigten ECL-Prescaler U813BS für etwas mehr als einen Euro an. Dieser oder ein vergleichbarer Prescaler ist nötig, um einen AVR-Frequenzzähler mit hinreichend herunter geteilten niedrigen Frequenzen zu füttern. Der U813BS kann z.B. einstellbare Teilerverhältnisse 64/1, 128/1 und 256/1.

Das Prinzip ist, den Oszillator des UKW-Tuners anzuzapfen, die mit dem Prescaler geteilte Oszillatorfrequenz dem AVR-Frequenzzähler vorzusetzen, die gemessene (geteilte) Frequenz wieder hochzurechnen und schließlich um die Zwischenfrequenz, bei UKW-Tunern zumeist 10,7 MHz, zu korrigieren. Schwingt der Oszillator wie im o.g. Mischteil oberhalb der Empfangsfrequenz, wird die Zwischenfrequenz abgezogen, sonst addiert. Schon haben wir die tatsächliche Empfangsfrequenz.

4.1  Schaltung

FM tuner counter schematics

Abb. 4.1: Frequenzzähler Gesamtschaltung.

Um größere Eingriffe, die auch die Abstimmung des Tuners gefährden könnten, zu vermeiden, bietet sich eine induktive Ankopplung mit 1 bis 2 Windungen an die Oszillatorspule an.

Vintage fm tuner interior

Abb. 4.2: Ankopplung am Görler-Tuner.

Der Drahtverhau ist bis auf die kleine Oszillator-Koppelspule rechts oben original Görler - sprichwörtliche Handwerkskunst aus den 1970er Jahren.

Die meisten Prescaler haben eine sehr hohe Eingangsempfindlichkeit, ca. 10 mV beim U813BS. Um die den Oszillator verstimmende Ankopplung aber möglichst gering zu halten, bekommt der Prescaler noch einen Vorverstärker vor die Nase gesetzt, hier einen BFR93, wahlweise z.B. einen Pin-kompatiblen BFS17 (beide bei reichelt.de zu haben, BFR93AW bei pollin.de zum Spottpreis im Zehnerpack).

Mit einem Jumper am Scale-Ausgang des U813BS kann das Teilerverhältnis eingestellt werden. Bei UKW-Radios und 2m-Empfängern liegt die Oszillatorfrequenz zwischen 97 und 156 MHz. Mit einem Teilerverhältnis von 64/1 kommen wir auf für den AVR verdauliche 1,5 bis 2,5 MHz. Der 16bit-Timer/Counter eines AVR kann maximal bis zur halben Taktfrequenz zählen. Für eine einfache Frequenzberechnung mit Zweierpotenzen wird ein 10,24 MHz-Quarz am AVR verwendet. Damit liegen wir im grünen Bereich.

Prescaler

Abb. 4.3: Prescaler-Platine auf der Mischteilrückseite.

Vor dem Timer/Counter1 (PD.5) des AVR sorgt T1 (BC849 oder äquivalent) für die Wandlung des Null-symmetrischen ECL-Signals des Prescalers an das 5V-TTL-Niveau des AVR. Mehr an Impulsformung ist nicht nötig.

4.2  Jumper Port

Am doppelreihigen Jumper Port auf der Zählerplatine können Grundeinstellungen vorgenommen werden. Die Nullen und Einsen in Tab. 4.1 geben die Potenziale an den jeweiligen AVR-Ports an. Für ein Teilerverhältnis 64/1 ist also nur der J1-Jumper gesteckt.

PD.7 PB.0 PB.1 PB.2  
IF J0 J1 J2  
0=in       ZF addieren (Oszillator unterhalb Empfangsfrequenz)
1=out       ZF subtrahieren (Oszillator oberhalb Empfangsfrequenz)
  0=in 0=in 0=in Prescaler-Teilerverhältnis 10/1
  0=in 0=in 1=out Prescaler-Teilerverhältnis 20/1
  0=in 1=out 0=in Prescaler-Teilerverhältnis 40/1
  0=in 1=out 1=out Prescaler-Teilerverhältnis 80/1
  1=out 0=in 0=in Prescaler-Teilerverhältnis 32/1
  1=out 0=in 1=out Prescaler-Teilerverhältnis 64/1
  1=out 1=out 0=in Prescaler-Teilerverhältnis 128/1
  1=out 1=out 1=out Prescaler-Teilerverhältnis 256/1

Tab. 4.1: Jumper Port, "0" = Jumper in, "1" = Jumper out.

4.3  Key Port

Am Key Port kann bei Bedarf die tatsächliche Zwischenfrequenz eingestellt werden. Mit dem erstmaligen Einschalten nach dem Brennen der Firmware wird 10,7 MHz als Standard-ZF im EEPROM gespeichert. Bei älteren UKW-Radios wie meinem, das im ZF-Verstärker ein keramisches Filter SFW10.7MA verwendet, muss man damit rechnen, dass die Mittenfrequenz 10,7 MHz nicht mehr stimmt. Im Lauf der Jahre ist sie bei diesem Filter auf 10,74 MHz davon gelaufen. Das ist normale Alterung. Hierzu wurde die ZF-Durchlasskurve mit dem FA-NWT gewobbelt.

IF passband

Abb. 4.4: Mit dem FA-NWT gewobbelte ZF-Durchlasskurve.

Ist die ZF-Mittenfrequenz bekannt, kann sie, sofern abweichend vom Standardwert 10,7 MHz, mit drei provisorisch am Key Port angeschlossenen Tastern eingestellt werden.

K1 Brücke nach GND, schaltet Setup-Mode ein
K2 Taster "Right", bewegt den Display-Cursor über die Ziffern nach rechts
K3 Taster "Left", bewegt den Display-Cursor über die Ziffern nach links
K4 Taster "Up", ändert die markierte Ziffer von 0 bis 9

Tab. 4.2: ZF-Setup mit dem Key Port.

Nach Einstellung der Zwischenfrequenz bewirkt ein langes Drücken des Right-Tasters (ca. 1 sec.) das Abspeichern im EEPROM. Nun wird der Key Port wieder freigemacht und der Frequenzzähler aus und wieder eingeschaltet. Mit dem nächsten Einschalten wird diese ZF verwendet.

Normalbetrieb als Frequenzzähler

Mit Jumperbrücken kann die Anzeige konfiguriert werden:

  1. Jumper K2 nach GND
    Für UKW-Radios ist die angezeigte Frequenzauflösung 10 kHz in der Standardeinstellung (Jumper K2 nicht gesteckt) ausreichend, z.B. 94,40 MHz. Für 2m-Empfänger darf es schon ein wenig genauer sein. Ein gesteckter Jumper bewirkt eine angezeigte Frequenzauflösung von 1 kHz, obwohl wegen der Prescaler-Vorteilung die 1 kHz-Stelle eher geraten denn gemessen ist. Sie wackelt daher bisweilen.
  2. Jumper K3 nach GND
    Mit aufgestecktem Jumper werden ein Begrüßungstext und die aus dem EEPROM eingelesene ZF angezeigt. Im Normalbetrieb kann darauf wohl verzichtet werden.

4.4  Stereo- und Feldstärkeanzeige

Transistor T2 stellt eine Stereoanzeige im LCD her (">ST<" in der oberen Zeile rechts), wenn er mit einer positiven Basisspannung versorgt wird. 2m-Amateure ignorieren diese Möglichkeit einfach.

Ein Feldstärkesignal am Eingang "Signal strength" ermöglicht eine Balkenanzeige mit dem ADC0 in der unteren LCD-Zeile. Da der im ZF-Verstärker verwendete CA3189 den ADC nicht mit 5V voll aussteuert, wird intern der gemessene ADC-Wert verdoppelt. Eine Justage auf Vollausschlag ist mit dem Trimmer P1 (Abb. 4.1) möglich. Eine Kalibrierung in S-Stufen für einen 2m-Empfänger ist damit natürlich nicht machbar.

4.5  Aufbau

Der Frequenzzähler besteht aus zwei Platinen. Der Prescaler wird in der Nähe des Mischteiloszillators angeordnet, dort auf der Rückseite des Mischteils (Abb. 4.3). Die Zählerplatine ist mit den gleichen Abmessungen im Sandwich auf das 16x2-LCD aufgesteckt. Realisierung in SMD.

Counter PCB

Abb. 4.5: Die Zählerplatine.

Mit R4, R5 (Abb. 4.1) kann die Helligkeit der Hintergrund-LED eingestellt werden. Der Stromverbrauch variiert je nach LCD. Beim verwendeten Pollin LCD TC1602A-09 sind ca. 13 mA völlig ausreichend, R4+R5 ~ 560Ω.

ATmega8-Fuses
Die Einstellung der Fuse-Bits mit AVR Studio ist im Quellcode angegeben. Da es anscheinend immer noch Unverdrossene gibt, die PonyProg verwenden, hier die Einstellungen:
Nur BOOTSZ0 und BOOTSZ1 anhaken. SPIEN ist auch gehakt, aber zum Glück deaktiviert.

Vor dem Anschluss des Prescalers an das Mischteil kann mit dem Trimmer C8 (Abb. 4.1, grün neben dem Quarz in Abb. 4.5) die Frequenzanzeige kalibriert werden, z.B. bei 100 MHz aus dem FA-NWT mit Abschwächer an den Eingang des Prescalers (Pin 1 in Abb. 4.1). Bei offenem Prescaler-Eingang schwingt der U813BS auf einer Frequenz um die 500 MHz. Kein Grund zur Sorge.

Um zu verhindern, dass das UKW-Mischteil Oberwellen des 10,24 MHz-AVR-Quarzes empfängt, sollten Zählerplatine und LCD in einem Abschirmgehäuse untergebracht werden. Ich habe darauf erst einmal verzichtet. Der Tuner revanchiert sich dafür mit Displayanzeigen von zwei Phantomsendern auf der 9. Oberwelle, 92,16 MHz, und auf der 10. Oberwelle, 102,40 MHz. Allerdings ohne Ton und nur in Mono. Stört nicht weiter. Im 2m-Band (144 bis 146 MHz) sieht es besser aus. Die 14. Oberwelle liegt mit 143,36 MHz knapp darunter, die 15. Oberwelle satt darüber.

Nach dem Einbau wurde das Mischteil neu abgeglichen. Der Frequenzbereich 87,5 bis 108 MHz war geringfügig um etwa 50 kHz verschoben, was vermutlich aber schon vorher so war, Alterserscheinungen eben. Ein Abgleich eines solchen Vintage-Moduls ist wahrscheinlich allgemein in Vergessenheit geraten. Es geht darum, einen Gleichlauf aller mit dem Drehko abgestimmten Kreise herzustellen. Dabei werden bei eingedrehtem Drehko (Maximalkapazität, Minimalfrequenz) die Spulen justiert, bei heraus-gedrehtem Drehko (Minimalkapazität, Maximalfrequenz) die C-Trimmer. Zuerst wird der einstellbare Frequenzbereich am Oszillator festgelegt (unten mit der Spule, oben mit dem Trimmer). Anschließend werden die Selektionskreise, bei diesem Mischteil ein Vorkreis und zwei Zwischenkreise, auf gleiche Weise (unten mit der Spule, oben mit dem Trimmer) auf maximales Feldstärkesignal justiert. Da sich beide Einstellungen (Frequenzgrenzen oben bzw. unten) gegenseitig beeinflussen, müssen sie mehrfach wiederholt werden, bis sie stehen. Zum Schluss wird das ZF-Filter am Ausgang des Mischteils auf maximales Feldstärkesignal optimiert. Beim Görler-Tuner sind es zwei Spulenkerne. Vorsicht bei allen Spulenkernen: Sie brechen leicht aus. Normale Schraubendreher sind tabu, passendes Abgleichbesteck ist notwendig. Die ZF-Spulenkerne haben beim Görler-Mischteil z.B. Innen-Sechskant 2 mm. Das Feldstärkesignal liefert hier ein CA3189 im ZF-Verstärker. Bei geringer Aussteuerung vor dem Begrenzungseinsatz ist die Anzeige empfindlicher.