Amateurfunkbasteln :: KW-Frequenzzähler

für Black Forest und andere (Selbstbau-)Transceiver

Einige Mitglieder des DARC-Ortsverbandes Soest basteln seit mehreren Monaten am Bausatz des KW-Transceivers Black Forest. Der verwendete DDS-VFO sieht eine Ausgabe der Frequenz mittels LED für die 100-Hz-Stellen und per Morsezeichen für die Zehner- und Einerstellen vor. Da nicht alle OM morsen können, wurde ein Frequenzzähler entwickelt, der auch für andere Selbstbau-Transceiver geeignet ist.

Ein Frequenzzähler muss her! Das war die einstimmige Aussage unserer Black-Forest-Experten des Ortsverbandes. Black Forest, das ist ein Bausatz für einen QRP Transceiver für CW und SSB in Bandmodultechnik, der von der DL-QRP-AG in Berlin vertrieben wird und von Peter Solf, DK1HE entwickelt wurde. Der Black Forest stellt eines der größeren Bauprojekte für Funkamateure mit ausreichender Löterfahrung dar. Unter anderem sind einige Spulen zu wickeln und eine große Platine fehlerfrei zu bestücken. Ein anspruchsvolles Selbstbauprojekt.

Auf der Hauptplatine ist ein Anschluss für einen Zähler vorhanden, der eine Amplitude von 50 mV Spitze-Spitze aufweist. Es ist ein sauberes Sinus-Signal, doch etwas schwächlich auf der Brust, so schwach, dass der vorhandene und zugegeben - nicht sehr empfindliche - OV-Frequenzzähler keine Anzeige zustande bringt. Folglich ist ein Zähler mit empfindlichem Vorverstärker gefragt, der den kompletten Kurzwellenbereich abdeckt, in der ZF programmierbar ist und ebenso abseits des Black Forest Anwendung finden kann. Dazu sollte die Frequenzanzeige gut ablesbar sein und eine abschaltbare oder regelbare Hintergrundbeleuchtung besitzen. Die Firma Reichelt bietet einige interessante alphanumerische LCD mit hellgrüner Hintergrundbeleuchtung von Electronic Assembly an, die bei identischem Anschlussschema und gleicher Anzeigefläche als ein- zwei- und vierzeiliges Display lieferbar sind. Dabei variiert jeweils die Buchstaben-/Zifferngröße. Das einzeilige LC-Displays bietet acht Buchstaben bzw. Ziffern. Über dieses LCD habe ich schon einmal im Sonderheft "Amateurfunk Software 2004" berichtet und dort eine kleine Adapterplatine vorgestellt, welche die zweireihigen Anschlussleisten im 2mm-Raster an die üblichen 14-poligen einreihigen Anschlüsse anpasst.

Das gewählte Display bietet schon wegen der Buchstabengröße von knapp 12 mm eine gute Lesbarkeit. Acht Stellen reichen aus, um Frequenzen bis knapp unter 100 MHz ohne Punkt und Komma darzustellen. Eine Auflösung bis zum letzten Hertz ist bei einem Transceiver aber nicht gefragt und deshalb reicht eine Auflösung von 10 Hz am Display allemal aus. Das ermöglicht es, die MHz-Stellen durch einen Punkt von den restlichen Ziffern zu trennen.

Die Schaltung

Prinzipiell stellt die Schaltung eines Frequenzzählers mit Mikroprozessor keine große Aufgabe dar. Der hier benutzte AVR-Controller von Atmel verfügt je über einen Acht- und 16-Bit-Zähler. Der eine zählt die Frequenz, der andere ist für die Torzeit (=Messzeit) von einer Sekunde verantwortlich. Sie muss sehr genau eingehalten werden und ist von der Genauigkeit des Quarzes abhängig, der den Mikroprozessor taktet. In diesem Fall sind es, um leicht rechnen und programmieren zu können, genau 10,24 MHz.

Das Eingangssignal -- die unbekannte Frequenz -- wird von einem Vorverstärker auf ein Signal gebracht, dass der folgende Schmitt-Trigger 74HC14 verarbeiten kann. Das Schaltbild des Vorverstärkers folgt der Schaltungsempfehlung des Entwicklers des Black Forest. Bevor ich auf seine Schaltung stieß, versuchte ich einige andere Lösungen, die in der Amateurfunk-Literatur veröffentlicht wurden. Als diese nicht den gewünschten Erfolg brachten -- sie wiesen über den geforderten Frequenzbereich nicht die gewünschte Verstärkung bzw. Empfindlichkeit auf -- berechnete ich eine eigene Schaltung, die bis 15 MHz prima funktionierte, doch danach war auch hier Schluss. Inzwischen weiß ich, dass ich Transistoren mit einer höheren Transitfrequenz hätte wählen müssen. Man lernt nie aus! So kommt der Vorverstärker von Peter Solf, DK1HE, zur Anwendung, der auch mit großen Amplituden (getestet bis TTL-Pegel) am Eingang gut zurecht kommt.

Dem Vorverstärker folgt ein Teiler durch acht. Bei einer maximalen Eingangsfrequenz von 38,7 MHz im Black Forest (29,7 MHz als höchste 10-m-Frequenz plus 9 MHz ZF) beträgt die maximale Frequenz am Mikroprozessor somit 38,7 durch 8 = 4,8375 MHz. Bis zu 5 MHz am Eingang des Prozessors sind erlaubt und so stellen 40 MHz das absolute Maximum dar. Die minimale Frequenz wird durch den Vorverstärker bestimmt und beträgt etwa 100 kHz. Der dem Vorverstärker nachgeschaltete Teiler durch acht wirkt sich auf die Anzeige aus: Ist der Eingang des Zählers kurzgeschlossen, zeigt der Zähler Null oder acht an, Zwischenwerte von 2...7 sind technisch nicht möglich. Wie kommt das? Der Mikrocomputer zählt die durch acht geteilte Frequenz und muss die originale Frequenz anzeigen. Dazu multipliziert die Software das Zählergebnis mit acht und erhält so die anzuzeigende Frequenz. Misst der Mikroprozessor 1 Hz, zeigt der Zähler folglich acht Hz an. Die letzte Stelle des Zählers verändert sich also immer in Schritten von acht und ist auch die Auflösung des Frequenzzählers bei exakter Eichung. (Die 1-Hz-Stelle wird jedoch nicht angezeigt, wenn der später erwähnte Black-Forest-Jumper gesetzt ist.)

Die Schaltung besitzt zwei Steckverbinder. Der eine wird nur zur Programmierung des Prozessors verwendet und der andere führt über ein Flachbandkabel zum abgesetzten LC-Display. Das residiert auf einer eigenen Platine mit den Vorwiderständen und Regler für Anzeigekontrast und Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung. Black Forest-Nachbauern wird empfohlen, den Helligkeitsregler auf die Frontplatte zu setzen und z.B. mit "Dimmer" zu beschriften.

Als kleiner Luxus wurde dem Frequenzzähler eine serielle Schnittstelle beigegeben. Sie dient hauptsächlich dazu, einem PC oder irgend einem anderem Gerät die aktuelle Frequenz mitzuteilen. Da auch der serielle Eingang beschaltet ist, kann man bei entsprechendem Ausbau der Software sogar Befehle erteilen. Welche das im Detail sein können, bleibt dem Anwender überlassen. Eine Idee wäre, z.B. die ZF über die RS232 per PC-Programm festzulegen. Die Zwischenfrequenz addiert die Software zu der gemessenen Frequenz oder zieht sie davon ab. Die Baudrate beträgt 9600 Baud und ist im Programm fest eingestellt. Sie können alles ändern, denn auch der Basic-Sourecode liegt offen, Sie können ihn unten laden.

Black-Forest-Jumper

In der Nähe des Quarzes besitzt der Frequenzzähler drei Jumper. Der dem Quarz am Nähesten liegende Jumper ist der Black-Forest-Jumper. Ist er gesetzt, beträgt die ZF neun MHz und formatiert die Frequenzanzeige wie zuvor beschrieben auf 10 Hz Genauigkeit. Ist der mittlere Jumper gesetzt, beträgt die ZF 10,7 MHz. Der dritte Jumper bestimmt, ob die 9 MHz des Black-Forest-Jumpers oder die 10,7 MHz der mittleren Steckbrücke zum Messergebnis addiert oder davon abgezogen werden. Fehlt der Jumper, wird abgezogen, ist der Jumper gesetzt, wird addiert. Ist gar keiner der drei Jumper gesetzt, zeigt der Zähler lediglich die gemessene Frequenz an, ohne eine ZF zu berücksichtigen. Andere Zwischenfrequenzen muss man direkt im Basic-Programm ändern. Das geht sehr einfach mit dem Bascom AVR Compiler von MCS. Dazu reicht die Demo-Version, die man unter www.bascom.de laden kann.

In der Nähe des 74HCT93 ist eine weitere Steckbrücke vorhanden. Sie bestimmt die Spannungsversorgung des Vorverstärkers. Auf der Leiterbahnseite ist sie fest auf 12 Volt eingestellt und muss nicht bestückt werden.

Aufbau

Bewährte Black-Forest-Bastler, die den Aufbau des DDS-VFO in SMD erfolgreich bewältigt haben, werden mit dieser Platine kaum Schwierigkeiten haben. Dennoch einige Anmerkungen: Möchten Sie die Platine selbst herstellen, laden Sie aus dem Internet von [3] das dort angebotene ZIP-Archiv. Es enthält u.a. die originalen EAGLE-Dateien, Bauteileliste, Abbildungen und PDF-Dateien für das Layout. Verwenden Sie diese Dateien, um eine Layoutvorlage guter Qualität zu erstellen (Film, Druck auf Transparentpapier etc.). Wer die Platine nicht selbst herstellen kann, findet dort ein Angebot, diese evtl. zu beziehen. Die Platine ist aufgrund der recht engen Bestückung nicht für Lötanfänger geeignet. Prüfen Sie Ihre Leiterplatte bitte sehr sorgfältig auf Unterbrechungen und ungewollte Verbindungen der Leiterbahnen untereinander. Zuerst bestücken Sie die Drahtbrücken mit dünnem Silberdraht, z.B. 0,6 mm. Zwei Drahtbrücken kreuzen sich, dürfen sich dabei keinesfalls berühren. In der Nähe des Quarzes ist die schräg verlaufende Drahtbrücke so zu verlegen, dass sie nicht mit dem Quarz in Kontakt gerät, also um den Quarz herum führt. An zwei weiteren Stellen wird es etwas eng, also aufgepasst! Nach jedem kritischen Lötvorgang prüfen Sie das Resultat am besten mit einer geeigneten Lupe, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Es geht weiter mit dem Einlöten der Widerstände und Kondensatoren. Dann folgen die IC-Sockel und komplettieren die Spannungsversorgung (7805 und 100-nF-Kondensatoren drum herum). Den 7805 drücken Sie bitte soweit wie möglich in die Platine, sonst kann es mit der Höhe des Gehäuses (TEKO 372) später ein Problem geben. Verbinden Sie die Platine mit einem 12-Volt-Netzteil. An den IC-Sockeln liegt nun die Versorgungsspannung von 5 Volt an - bitte prüfen! Löten Sie die restlichen Bauteile bis auf die Transistoren BFW92 und den Trimmer (Drehko) ein und programmieren -- soweit erforderlich -- den Atmel AVR-Mikrocontroller in der Schaltung. Funktioniert auch das, ist das schon die halbe Miete.

Es ist nun an der Zeit, die LCD-Platine zu bestücken und das 10-polige Flachbandkabel zur LCD-Platine anzufertigen. Die beiden vertikalen Buchsenleisten im 2-mm-Raster sind für das Display von Electronic Assembly bestimmt, die horizontal verlaufende bietet den alternativen Anschluss preiswerter LC-Anzeigen mit (16-polig einreihig) und ohne Hintergrundbeleuchtung (14-polig einreihig).

Schließen Sie das Display an und achten darauf, Pin 10 mit Pin 10 der Pfostenstecker zu verbinden! Nach dem Einschalten des Frequenzzählers sollte der Einschalttext auf dem LC-Display erscheinen. Setzen Sie nun die IC 74HC14 und 74HCT93 ein. Da die BFW92 noch fehlen, können wir am TP1 ein TTL-Rechtecksignal von 1...40 MHz anlegen. Das kann z.B. ein üblicher Quarzoszillator oder ein Signalgenerator mit TTL-Ausgang sein. Der Zähler sollte die Frequenz auf dem LCD anzeigen. Stimmt sie bis auf einige Kilohertz genau, löten Sie die Transistoren des Vorverstärkers ein. Lediglich der Trimmer in der Nähe des Quarzes bleibt unbestückt. Ein wichtiger Hinweis: Zum Programmieren des Prozessors in der Schaltung darf der Trimmerkondensator nicht bestückt sein und das LCD-Display darf nicht angeschlossen sein, da es den selben Port nutzt! Warum er die Programmierung hindert, habe ich bisher nicht heraus gefunden. Programmieren Sie zuerst den Prozessor und eichen anschließend den Frequenzzähler.

Eichen

Messen Sie die Quarzfrequenz am Prozessor, die exakt 10,240 MHz betragen soll. Ist das der Fall, benötigen Sie den Trimmer nicht. Liegt die Quarzfrequenz einige Kilohertz darüber oder darunter, bestücken Sie den Trimmer (zwei Pins reichen aus) und ziehen die Quarzfrequenz auf den Sollwert. Haben Sie keine Möglichkeit zur Messung der Quarzfrequenz und Sie möchten den Zähler im Black Forest Transceiver einsetzen, stecken Sie z.B. das 20-m-Modul in den TRX und schalten das Gerät ein. Drehen Sie nicht am VFO, damit sich die Frequenz nicht ändert! Schalten Sie den Zähler ein, er sollte die im Handbuch (zum Black Forest) beschriebene feste Einschaltfrequenz passend zum jeweiligen Bandmodul anzeigen. Drehen Sie den Trimmkondensator, dass der Sollwert in der Anzeige erscheint -- beim 20-m-Modul und mit dem DDS-VFO (neue Version) sind dies beispielsweise 14.200 kHz.

Einbau in ein Gehäuse

Die Platine des Frequenzzählers gehört in ein HF-dichtes Metallgehäuse, z.B. das TEKO 372 von www.reichelt.de. Die Zählerplatine ist so beschaffen, dass sie ohne viel Luft in das Gehäuse passt. Man kann sie in das Gehäuse legen, ohne sie zu befestigen. Kleiden Sie zuvor den Boden des Gehäuses mit Isolierband aus. Vermeiden Sie beim Einsetzen der Platine Kurzschlüsse zwischen Platine und Gehäuse. Den Frequenzeingang und die Spannungszuführung realisiert man am besten mit Durchführungskondensatoren. Das Flachbandkabel entweicht dem Gehäuse durch einen schmalen Schlitz. Das Kabel zum LCD wirkt als Antenne und stört den Empfänger geringfügig. Nach Möglichkeit sollte man das Flachbandkabel abschirmen oder es - noch besser -- durch ein abgeschirmtes mehradriges Kabel ersetzen. Neben einem HF-dichen Gehäuse gehört zum erfolgreichen Betrieb des Frequenzzählers eine geordnete Zuführung der Messfrequenz über ein Koaxialkabel. Ist der Eingang des Zählers offen oder die Masse des Eingangssignals nicht angeschlossen, zeigt der Zähler eine beliebige Frequenz an.

Kurzinformation Technik
Frequenzbereich: 100 kHz bis 40 MHz
Auflösung: 8 Hertz
Empfindlichkeit: 50 mVSS Eingangspegel
Zwischenfrequenz: 9 MHz und 10,7 MHz über Jumper, alle weiteren über Programmänderung
Anzeige: großes Display mit einstellbarer Hintergrundbeleuchtung
alternative Anzeige: preiswerte LCDs, ein- oder zweizeilig
Anwendung: Black Forest Transceiver oder als Zähler in anderen Geräten

So programmieren Sie den Prozessor

Einen Programmer für die AVR-Prozessoren finden Sie hier auf dieser Homepage als separetes Bastelprojekt. Sie benötigen lediglich das Basismodul, das an eine serielle Schnittstelle des PC angeschlossen wird. Es besteht im Wesentlichen aus einigen Dioden, Widerständen und einem Transistor. Die Steckerbelegung des Basismoduls passt mit der Belegung des Programmier-Pfostensteckers auf der Zählerplatine überein. Programmiert wird mit Ponyprog oder Ponyprog2000, das man kostenlos von von Claudio Lanconelli, www.lancos.com. Fertige Prozessoren gibt es weiter unten auf dieser Seite.

AVR-Programmer

Bild: AVR-Programmer. Benötigt wird lediglich das Basismodul, erkennbar an der RS232-Buchse.

Tipp: Die LCD-Platine kann unter folgenden Voraussetzungen ersatzlos entfallen: Sie nutzen ein einfaches (preiswertes) LC-Display mit z.B. 16 Zeichen einzeilig, schließen die Verbindungskabel direkt an, ersetzen das Kontrast-Potentiometer durch einen festen Widerstand und verlegen das Poti für eine evtl. vorhandene Hintergrundbeleuchtung auf die Frontblende.


Ausführung in SMD in der Größe des Displays "DisplayTec 162"

Georg Latzel hat den Zähler nachgebaut. Ihm war die Platine jedoch zu groß. Daher hat er eine kleine Platine entwickelt, die genau so groß ist wie die des LC-Displays. Hier kommen aus Platzgründen SMD-Bauelemente zum Einsatz. Beide Platinen sind im Huckepack über Abstandshalter (Durchmesser 2,5 mm) verschraubt. Das Display wird über Buchse und Stecker mit der Zählerplatine verbunden, damit es abnehmbar ist. Es ergibt sich ein sehr kompaktes Zählermodul.

Durch den Einsatz anderer Transistoren konnte die Empfindlichkeit auf 20 mV erhöht werden und zugleich reichen zwei Transistoren zur Verstärkung aus. Auch das Basic-Programm hat er verbessert und seinen Bedürfnissen angepasst. Die ZF von 9 und 10,7 MHz ist unverändert. Das Schaltbild, Layout und BASIC-Datei lassen sich im Downloadbereich laden. Der Prozessor (Atmel AVR TINY2313) ist bis auf wenige Bytes komplett genutzt.


Download von Dateien zu diesem Projekt

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Platinen und Bausätze

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