1 Steuergerät

Erstellt: DL6GL, 09.10.2016, letzte Änderung 12.05.2021

Das Steuergerät enthält den Controller und ein Netzteil, das auch die 24V-Spannung zur Schaltung der Relais im Tuner bereitstellt. Der hier verwendete ATmega1284 TQFP-44 in SMD-Ausführung mit 128 kB Flash und 4 kB EEPROM wurde bewusst größer gewählt, als es die derzeitige Ausbaustufe erfordert, um später eventuell auf eine vollautomatische Abstimmung hochrüsten zu können. Statt um jedes Byte in einem kleinen Mikrocontroller zu ringen, macht es schon mehr Spaß, einen üppig ausgestatteten AVR zu programmieren.

Der pin-kompatible ATmega32-16AU (TQFP-44) sollte auch gehen (kompiliert, aber nicht getestet).
Für die Firmware-Version 2.10 ist die Flash-Belegung 86% (28.208 Bytes).
Anzupassen sind (im Quelltext angegeben):

• $regfile = "m32def.dat"
• ADC-Register ADCSRB auskommentieren, kennt ATmega32 nicht
• ADC-Register DIDR0 auskommentieren, kennt ATmega32 nicht
• ADC-Register SFIOR: Kommentarzeichen (') entfernen oder auch belassen,
      SFIOR=&B00000000 ist die Default-Vorbesetzung.
• Ab Firmware V2.10 in den Subs "SendRemote" und "GetTRXFreq"
      "UCSRØA" ersetzen durch "UCSRA".

Abb. 1.1: Frontplatte des Steuergerätes.

1.1   Netzteil

Im Netzteil (Versorgung des Controllers und der Remote Unit) wird ein 78S15 (2A) verwendet. Mit der Zener-Diode, hier 7,5 V, kann die Spannung für die 24V-Relais in der Remote Unit etwas verkleinert werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Die verwendeten 24V-FINDER-Relais sprechen schon bei ca. 20 V an. Spannungsabfall auf der Steuerleitung bei Ansteuerung aller Relais beachten! Auf der Platine sind für die Zenerdiode D1 Lötpads für zwei Dioden vorgesehen. 24V-Relais wurden gewählt, um den Spannungsabfall auf der Steuerleitung zwischen Controller (im Shack, vielleicht im Keller) und der Remote Unit (am Ende der Hühnerleiter, vielleicht auf dem Dach) in Grenzen zu halten. Idee war, die Remote Unit an ihrem jeweiligen Standort netzunabhängig zu machen, also die Versorgungs-spannung über die Steuerleitung mitzuliefern. Wenn keine größeren Entfernungen zu überbrücken sind oder der Remote Unit ein eigenes Netzteil spendiert wird, können im Rahmen der Belastbarkeit der die Relais schaltenden ULN2803 (max. 50V/500mA) beliebige Relais in der Remote Unit eingesetzt werden, z.B. 12V-Typen.

Abb. 1.2: Schaltbild des Steuergeräte-Netzteils.

1.2  Controller

Abb. 1.3: Schaltbild des Controllers Rev. 2.

Die beiden Operationsverstärker IC6 dienen einerseits zur Kalibrierung der Leistungsmessung, andererseits als Impedanzwandler mit hohem Eingangswiderstand zu den Gleichrichterdioden des SWR-Kopplers und niedrigem Ausgangswiderstand zu den ADC des Microcontrollers.

Die Kalibrierung der Leistungsanzeige erfolgt zunächst mit P1 für den Vorlauf, z.B. mit einem Scope (10:1-Tastkopf) am TX-seitigen Eingang in den SWR-Koppler und einer 50 Ω-Dummyload am Ausgang. Mit Ueff = Uss/2,828 ergibt sich die effektive Eingangsleistung Peff = (Ueff)²/Z und Z = 50 Ω. Mit P1 wird die Anzeige auf den berechneten Leistungswert eingestellt und die DC-Spannung am Schleifer von P1 gemessen. Am SWR-Koppler wird anschließend das Verbindungskabel zum REV-Eingang von IC6 vorübergehend an den FWD-Ausgang des SWR-Kopplers gelegt und mit P2 die gleiche DC-Spannung am Schleifer von P2 eingestellt. Damit sind die Verstärkungseinstellungen identisch.

Am AVR-Pin PB1 (T1) ist der Frequenzzähler angeschlossen. Er besteht aus einem Vorverstärker (T1), einem Schmitt-Trigger (IC3) und einem 1/8-Teiler (IC2). Bei 16 MHz Taktfrequenz ist damit im 6m-Band noch sicher zu zählen. Die Eingangsempfindlichkeit beträgt etwa 200 mVss. Falls die HF-Spannung nicht reichen sollte, kann der 4,7pF-Kondensator im SWR-Koppler erhöht werden. Die Frequenzkalibrierung wird mit C12 vorgenommen.

Zur RS485-Kommunikation mit IC5 sind hier und hier auf dieser Website ausführliche Beschreibungen zu finden. Im Mustergerät wurden R11 und R13 an den Signalleitungen A und B mit jeweils 750R dimensioniert (Fail safe). Bei sehr langem Bus können ggf. etwas geringere Werte vorteilhaft sein, bei sehr kurzem Bus könnten sie auch entfallen - ausprobieren.

Eine merkwürdig anmutende Modifikation hat DL2BK vornehmen müssen, um die Kommunikation überhaupt möglich zu machen: Er hat probeweise 100nF von Pin 1 des IC5 nach Masse gelegt. Damit ging die Kommunikation. Für meine Begriffe sind 100nF am "Empfangsohr" des ATmega reichlich viel. Ich habe es mit 1nF nachvollzogen. Damit funktioniert es bei mir auch. Möglicherweise gibt es hier eine HF-Einstreuung vom dicht daneben liegenden Quarz. Dieses Problem gab es mit dem Vorläufer (ATmega32 im DIP-Gehäuse und geringere Packungsdichte) zumindest nicht. Die Controllerplatine wurde geringfügig nachgearbeitet, C20 kann optional eingefügt werden. Neue Version im Download.

Die Beschaltung VCC an den Pins 5, 17 und 38 ist vielleicht noch erklärungsbedürftig. Der ATmega wird an Pin 5 mit +5V (VCC) versorgt. An den Pins 17 und 38 ist ebenfalls VCC herausgeführt, um dort Stützkondensatoren (C4 und C5) anzuordnen. Diese stützen VCC bei den digitalen Schaltvorgängen im Chip.

Abb. 1.4: Schaltbild des Controller-Frontpanels Rev. 1.

Das Frontpanel trägt alle Bedien- und Anzeigekomponenten. Es ist mit Flachkabeln und doppelreihigen 6- bzw. 10-poligen Steckkontakten mit dem Controller verbunden.

Zur Reduzierung der TX-Leistung (TX mute) stehen zwei Ausgänge zur Verfügung, die vor jeder Relais-Umschaltung in der Remote Unit gleichzeitig geschaltet werden: Ein PTT-Relais mit Umschaltkontakten und ein +12V-Steuerausgang ("Mute"). Die LED D7 "Tuning" zeigt diesen Schaltzustand an.

Die Anpassung der Bauhöhen der Taster und des in zwei neunfach Stecksockel (Rastermaß 2,0 mm) eingesteckten Displays an die Durchbrüche in der Frontplatte besorgt eine separate Display-Platine. Hierfür ist auf der Frontpanel-Platine ein Ausbruch auszusägen.

1.3   Die Platinen

Abb. 1.5: Platine des Controllers (Version 2013).

Abb. 1.6: Platine des Controller-Frontpanels.

1.4   SWR-Koppler

Für den Kurzwellenbereich sind zwei Bauformen gebräuchlich, die Bruene- und die Stockton-Variante. Zur Messung des HF-Stroms verwenden beide eine Transformatorauskopplung. Der Stockton-Typ (auch unter den Bezeichnungen "Hybrid-Koppler" und "Tandem match coupler" bekannt) koppelt auch die HF-Spannung induktiv mit einem zweiten Transformator aus, der Bruene-Typ misst die HF-Spannung über einen abzugleichenden kapazitiven Spannungsteiler. Der Bruene-Koppler lässt sich mit nur einem Ringkern recht kompakt aufbauen. Der Stockton-Koppler braucht mit zwei Ringkernen mehr Platz, kommt aber in der Grundform ohne Abgleich aus. Hier wurde dem Stockton-Koppler der Vorzug gegeben. Eine ausführlichere Beschreibung ist hier auf dieser Website zu finden.

Abb. 1.7: Schaltbild des Kopplers.

Die Schaltung ist an Einfachheit ja kaum noch zu unterbieten, jedoch sind es die beiden unscheinbaren Gleichrichterdioden BAT 43 und ihre Beschaltung, die die Gesamtleistung ausmachen. Dioden haben eine nicht lineare Kennlinie, die gerade bei optimalem SWR und niedriger Leistung geradezu kontraproduktiv stört. Zur rechnerischen Korrektur kommt aber der ohnehin vorhandene Microcontroller zu Hilfe.

Bei der Untersuchung der Diodenkennlinien zeigte sich, dass sich eine Korrekturfunktion U2/U3 - gemessene Gleichspannung U2 zu anliegender Hochfrequenz-Spitzenspannung U3 - für die BAT43 mit einer simplen Potenzfunktion der Form

y = a * x^b + c

recht gut darstellen lässt. Mit Excel lässt sich diese Funktion an die gemessenen Daten anpassen, Ergebnis im nachfolgenden Bild.

Abb. 1.8: Excel-Fit an die gemessene Korrekturfunktion U2/U3.

Parameter der Fitfunktion y = a * x^b + c = CF U2/U3 für die hier vermessene BAT43:
a = 0,251607
b = -0,857977
c = 1

Mit der so gefundenen Funktion für den DC-HF-Korrekturfaktor ist somit für die ausgemessene BAT43 aus der gleichgerichteten Spannung UDC die tatsächliche HF-Spitzenspannung näherungsweise zu ermitteln.

UHF = UDC * CF U2/U3

Die Abweichung der nach dieser Funktion berechneten Werte von den gemessenen HF-Spannungen war oberhalb von 300 mVs HF kleiner als 1%.

Die o.g. Funktionsparameter a, b und c sind wegen der Exemplarstreuungen auf alle Fälle mit Hilfe der Excel-Mappe im Download zur SWR-Messbrücke hier auf dieser Website zu bestimmen. Im Setup (s.u. zu 3.2.4) können sie dann korrigiert werden.

Im Vorlaufzweig ist ein Emitterfolger eingefügt, an dem die HF für die Frequenzmessung entnommen wird.

Abb. 1.9: Innenansicht des Steuergerätes, Deckel des SWR-Kopplers entfernt.

Für einen SWR-Koppler mit QRO-Dimensionierung ist noch genügend Platz im Gehäuse.