Wobler - efektivní bastlení (DIY)

Co mě k tomu vedlo

V předchozím příspěvku o krystalovém filtru jsem se zmínil, že jsem si musel zbastlit Wobler pro měření krystalů a následně i filtrů. Hold, když chcete něco tvořit, musíte mít vybavení a to chce buď peníze (mám malého prcka ;-) ), nebo to mít v práci (už dlouho nemám) a nebo si to postavit svépomocí.

Už dlouho si pohrávám s programováním vývojového kitu od ST s nádherným grafickým displejem a spoustou velmi poučných příkladů přidaných ke knihovnám driverů. Navíc ST ke svým balíčkům s HAL drivery má i zdarma k použití grafickou knihovnu od Segger emWIN a to pro mně neprofesionála byla výzva.

Tedy co jsem dal do kupy

Ještě poznámku, kompletní schéma u mně zatím nehledejte. Principiálně to je skoro katalogové zapojení jednotlivých modulů a trochu stínění a filtračních kondenzátorů.

Obr.1 - napřed funkční závěr, ale pořád ještě nedotažený.

Takže co jsem k tomu použil a co dělá tu největší muziku:

1. DDS Modul s AD9850 (v rozsahu 100 kHz až 45 MHz)

2. Logatitmický detektor (zesilovač) s AD8307 (skvělý obvod, skoro bez nutnosti kalibrace)

3. Discovery Kit STM32F469i s velkým Touch LCD

To je celé, už zbývá jen několik pasivních součástek, konektorů, vytuněné stínění detektoru a pro programátory amatéry jako já, spousta trpělivosti s učením se novým věcem. Abych nezapomněl, tolerantní manželku ... bylo to mnoho večerů.

Takže něco málo k poznatkům s obvody.

AD8307

Tohle je krásný obvod od Analog Device. Dá se koupit za slušnou cenu přes Ebay asi 150 Kč z Číny i s poštovným za 10 ks.

Má dynamický rozsah až 80 dB a strop je na cca 15 dBm při 50 Ohmech na vstupu.

Použil jsem prakticky katalogové zapojení. Jediný rozdíl je, že jsem se mnohem víc hrál se vstupním napájecím filtrem a filtrem na měřicím výstupu. Pokud chcete měřit zvlnění filtrů pod 2 dB, pak každý šum přináší nepříjemnosti.

Na začátku jsem obvod přímo připojil na AD převodník toho STčka. To byla chyba, protože jsem nekontroloval zatížení, není to PIC, u kterého jsem to nikdy neřešil. Tak jsem tam přidal sledovač s operákem a dalším filtrem na výstupu. Mám tam primitivní RC členy jako dolní propusti. POZOR, potřebujete dostat stejnosměrnou složku až k ADC.

Filtry a oddělení pomůže, ale ne dost. Aby jste se při zkratování vstupu (myšleno třeba na konektoru s 5 cm kabelu (koaxu)) dostali na minimální citlivost detektoru, musíte je pořádně odstínit od okolí a tuplem od těch digitálních signálů z ST, které září od několika kHz až po stovky MHz. Kousek pocínovaného plechu to zvládne.

To hlavní k tomuto obvodu ale teprve přijde. Obvod má kalibrovaný výstup, kdy zhruba 1 dB změny = 25 mV změny na výstupu. Celkem to i sedí, pokud nepotřebujete velkou přesnost a absolutní měření. Více vás pak odkážu na datasheet obvodu a strýčka Googla.

Já jsem kalibraci provedl, měl jsem půjčený přesný generátor s přesným atenuátorem v něm. Nejdříve jsem prováděl kalibraci pro 10 dB změny od 10 dBm do -70 dBm, ale při zjištění relativní linearity změny, jsem zvolil kalibrační body v 0 dBm, - 30dBm, -50dBm. To je celkem přesné +/- 0,5 dB při správném dopočtu. Tyto kalibrační body jsem v pásmu 100 kHz až 45 MHz měřil asi na 15 kmitočtech, hlavně ten spodek chtěl jemnější krok kvůli kapacitám na vstupu detektoru.

Šum však na vstupu AD převodníku stejně zcela nezmizí, tak jsem použil systém průměrování, cca 250 - 1024 měření na jednom kmitočtu, podle potřeby a zobrazovaném detailu a ochotě čekat na jeden přeběh generátoru. Jak to nastavit je na samostatný článek, a to je na déle.
Systém jak změřenou hodnotu dopočítat v prostoru lichoběžníku (kalibrační body) mně taky dal zabrat, je to krásná středoškolská matematika a trpělivost. Podotýkám, že hodnota s kmitočtem není konstantní. Možná to sem někdy doplním.

AD9850

DDS obvod od Analog Device na modulu z Ebay. 

Obr.2 - Modul DDS z Ebay

V jisté dávce nadsazení se jedná o digitálně řízený oscilátor s možností jemného krokování po méně než jednom Hz. Řízení není složité, s použitím SPI sběrnice to je není nic složitého. Má na sobě dolní propust pro odfiltrování taktovacího kmitočtu a máte sinusový výstup. Cca 1 den mně trvalo jej rozchodit podle datasheetu s nadsazeným časováním a asi 3 dny jsem to ladil na co nejrychlejší přenos datového slova. Mám totiž i ambice jej digitálně modulovat. To je ale úplně jiná story.
Tento obvod má cca -10 dBm výstup (50 Ohm) a to pro mnoho aplikací úplně stačí. Já si jej ještě trochu přitlumil napěťově řiditelným Attenuátorem, hezký vzorek získaný při troše googlování.
Je řízený napětím na jednom pinu v rozsahu 0V - 3,3 V co dá pin procesoru. Při plném otevření měl kolem 3 dB průchozí útlum.

Jak moje bastlení dopadlo

Fotky už říkají vše. Každé (neestetické) zvěrstvo mělo důležitý posun v úrovni šumu, tak prosím o ohled. Obvykle mám raději  víc estetiky u vlastních věcí.

Obr. 3 - Wobler ze předu a detail při měření mého prvního krystalového filtru

Obr.4 - Pohled zezadu - nad modulem je kovová kostička toho attenuátoru. Vpravo u toho černého konektoru je schovaný ten detektor s AD8307; operační zesilovač je pod deskou.

 Není to žádné kouzlo, ale vzniklo to jako pokus, který skončil dobře a funkční. Jak to měří si porovnejte s mým předchozím článkem, kde mám srovnání z profi přístroje. Přístroje po programové stránce nemám hotov, jenom návrh menu funkcí mně z estetického a obsahového hlediska dává zabrat. A to už mně napadají další myšlenky, jako vzít druhý DDS modul, nový filtr, kruhový směšovač v pouzdru a je tu start malého "spektrálního přijímače".

Krystalový filtr pro SSB - vlastní výroba

Co mě k tomu vedlo

Obr. 1 - Napřed závěr, mám rád, když to i vypadá.

Je to dlouho, co jsem poprvé četl (alespoň pro mě) bible radioamatérů od Josefa Daneše a kolektivu, nebo případně dřívější sborníky svazarmu. Už tehdá mě zaujala konstrukce krystalových filtrů a to jak z pohledu relativní jednoduchosti, tak z pohledu vidiny levně nabyté součástky, která jde jináč do tisíců korun. Od té doby jsem už vyrostl a moje zájmy se mockrát změnily, ale trvalá touha si postavit vlastní TRX pro SSB provoz neustal. Takže loni jsem o tom začal trochu více uvažovat a jako vždy padla otázka na krystalový filtr.

Jako konstruktér a věčný bastlíř raději zvolím, přijít si na to sám a zkrátka je pro mně Ta cesta cennější než konečný zisk. A tak jsem se do toho pustil.

Na internetu je mnoho článků, koukněte pak do odkazů na konci.

Krystaly a sortování

Tedy základ je mít vhodné krystaly, s malým rozptylem sériového rezonančního kmitočtu, pokud možno podobným sériovým odporem (tedy jakostí Q) a podobnou sériovou indukčností, tolik z literatury a různých článků. Hlavně ať je z čeho vybírat.

Já jsem koupil pytlík s 200 krystaly 9 MHz v pouzdru HC-49S na Ebay asi za 120 Kč i s poštovným z Číny. Z takového množství už snad něco vyberu a taky že jo. Jak sortovat krystaly a zjistit o nich něco více, to se ptejte strýčka Googla. Metod je více a já na to šel oklikou. Nejdřív jsem stavěl, tedy spíše bastlil Wobler. O něm napíšu někdy příště, ale v podstatě jde o DDS modul AD9850 a LOG Detektor AD8307, jeden vývojový modul od ST a trocha programování.

Já si naprogramoval měření krystalů 3 dB metodou. Ta je popsaná celkem hezky, pokud máte měřící přístroje alespoň trochu zkalibrované, pak s tím dokážete naměřit a následně dopočítat celý sériový obvod krystalu (Rs, Ls, Cs). Paralelní obvod a tedy paralelní kapacitu jsem nedal. Všechny články ukazují paralelní rezonanci hned vedle sériové jako obrácený Peak k té sériové (průběh impedance a tedy průchozího útlumu), ale já ji na křivce prostě nemám. Zmíněný AD8307 má dynamiku kolem 80 dB, ale ten ji nezjistil (je to dost věc zapojení měřicího obvodu a citlivosti). 

Každopádně, změřil jsem 200 ks krystalů a z nich vybral cca 14 ks s rozptylem +/- 10 Hz (opět na doporučení z internetu).
Pro představu, krystal v HC-49S pouzdru, který na sobě měl 9.000 MHz hodnotu, měl průměrně tyto parametry:
Ls = 40 uH, Cs = 7,9 fF, Rs = 17 Ohm a sériová rezonance fs zhruba 9.998.160 Hz.
Paralelní kapacitu Cp jsem jen nastřelil, prí se pohybuje cca kolem 3-5 pF, já zvolil 3,5 pF (nic extra kritického).

Soudím, že není důležité, jestli váš čítač má nějakou konstatní odchylku +/- 100 Hz, hlavně, když bude konstantní chyba pro všechny změřené krystaly, bastlení na přesnost to není. Někdo může namítat, že to důležité je, ale typ filtru, který jsem vybral pro zapojení, nepočítá s dolaďováním fs u jednotlivých krystalů pomocí sériové kapacity Viz obr.2.

Obr. 2 - Principiální schéma QER topologie filtru

Filtr QER (G3UUR)

Tohle zapojení je z pohledu jednoduchosti pro konstrukci úplně perfektní. Krom krystalů jsou v zapojení příčné kondenzátory k zemi vždy o stejné hodnotě. 
Mám sice ambice si filtr vypočítat kompletně sám, ale času už méně. Proto jsem šáhnul pro pomoc a vybral jeden prográmek (viz odkazy), který to udělal za mě. Takže krystaly mám, orientačně jejich parametry taky a prográmek pro šířku pásma na 3 dB vyhodil hodnotu cca 36 pF, ale já ji zaokrouhlil na 39 pF. Další užitečnou informací je vstupní/výstupní impedance filtru. Moje byla cca 230 Ohm.
Prográmek umí počítat i klasický fitr s krystaly typu Chebyschev a k němu generuje simulační soubor .cir vhodný např. pro LTSpice simulační program. QER filtr neumí, ale soubor je v podstatě textový zápis a není složité si zapojení přepsat podle schématu a simulovat filtr. Mně to přišlo užitečné, protože pohrát si se změnou kapacity neslo zajímavé poznatky. Zjistil jsem, že změna kapacity o 3 pF odpovídala změna šířky pásma cca o 100 Hz. To se mně později stalo užitečnou znalostí.

Filtr jsem složil z 12 krystalů a přizpůsobení na 50 Ohm jsem udělal pomocí dvou balunů 1:4. Já měl hotové součástky s baluny od několika výrobců a přesným dotažením impedance jsem se netrápil.

 Obr. 3 - Provedení filtru - strana krystalů a impedančních transformátorů

Obr. 4 - Provedení filtru - strana spojů

Montáž jsem provedl hodně po bastlířsku na oboustranný kuprextit a s prodrátováním. Kondenzátory jsem vzal SMD 0805. Vývody krystalů jsem oddělil příčkou z pocínovaného plechu, na která jsem kondenzátory jedním koncem samonosně připájel a k druhému konci jsem dotáhnul odpovídající vývody krystalů a připájel je k nim. Vlastní pouzdra krystalů jsem opatrně připájel ke kuprextitu z druhí strany. Pozor na přepálení krystalů, mohou se poškodit jako každé elektronická součástka.

Bohužel nemám uložené první měření, ale přeslechy z jednoho konce filtru na druhý byly asi -35 dB, proto na fotografiích vidíte příčku ještě dělenou mezi plechy, které odstíňují jednotlivé vývody krystalů a celkový prostor z jednoho konce filtru na druhý. S hodnotou 39 pF, měl filtr šířku 3 kHz, zvlnění filtru skoro 3 dB. Proto jsem ke každému kondenzátoru dopájel dvojici 10 pF + 4.7 pF a výsledek se podívejte sami. Ještě doplním, můj Wobler - udělej si sám - jsem podrobil porovnání na profi přístrojích od Rohde&Schwarz (více jak 2 roky mých výplat) a není to vůbec špatné.

 Obr. 5 Wobler (OK2MTW bastl) - 12X QER Filter

Obr. 6 - Tracking generator a Spektrální analyzátor (první údaj v pravém horním rohu udává půlku pásma pro 3 dB (výkonové) a průchozí útlum.

Wobler mám ujetý o 7 Hz, a měření výkonu na 50 Ohmech v dBm o méně jak 0,5 dB. Tož posuďte sami.

Takže na závěr

První pokus s výrobou filtru je excelentní. Z dvouset krystalů mám minimálně 2 sady krystalů na další hrátky a přiznám se, že telegrafní filtr bude další na řadě. Taky mě láká vzít vhodné varikapy, vyvést je nejdříve na řadu trimrů k pohrání si a následně na výstupy DA převodníků a pohrát si znovu, ale digitálně.
Filtr jsem nijak nedolaďoval, krom malé změny kapacity a protože použité krystaly mají nějaký rozptyl, pak by výsledek po doladění mohl být ještě lepší. QER filtr by měl umožňovat zvlnění snížit až na 0,3 dB.
Porovnával jsem svůj výsledek s komerčními filtry (např. v GESu) a tento bastlík by v profi řešení vyšel kolem 5000 Kč. Jsem spokojený a rádioamatérskému bastlení zdar.

73 Martin OK2MTW

Obr. 7 - Rád si s tím hraji na závěr, i když to bude schované pod deklem.

Zajímavé odkazy ke čtení nastudování ale také filtraci informací

Ně vše co je tam uvedeno je úplně správně, ale mně to dovedlo ke zdárným výsledkům.

[1] http://ok1ike.c-a-v.com/soubory/filtry.htm
[2] https://sq2gxo.wordpress.com/2010/04/05/crystal-ladder-filters-i-software/
[3] http://www.giangrandi.ch/electronics/crystalfilters/xtalladder.html
[4] http://www.changpuak.ch/electronics/Quartz_Crystal_Filter_Designer_1.php
[5] https://www.arrl.org/files/file/QEX_Next_Issue/Nov-Dec_2009/QEX_Nov-Dec_09_Feature.pdf