Referentiefrequentie
Vervolg op CQ-PA nummer 3, maart 2005
Vrijwel iedereen die iets met elektronica knutselt heeft in zijn shack of werkplaats wel een frequentieteller, in nieuw-nederlands een 'counter'. Amateurwijsheid leert dat hoe meer digits het display kan aangeven hoe beter, hoe nauwkeuriger, de teller de frequentie weergeeft.
Zo komt u geregeld tellers tegen met 8 of 9 cijfers op het display en de eigenaar van een dergelijke teller wordt bijna lyrisch als hij gaat beschrijven hoe nauwkeurig hij tegenwoordig wel niet de frequentie kan meten dankzij de digitale techniek.
Waag het niet om aan die nauwkeurigheid te twijfelen. Wie dat doet geeft duidelijk aan geen verstand van zaken te hebben; een digitaal meetinstrument is nu eenmaal heel erg nauwkeurig. De teller heeft geld gekost en er zit een echte microprocessor in met een LCD-display. Het kan niet anders dan dat een dure counter met zo'n uitgebreide uitlezing uiterst nauwkeurig is.
Ik waag het toch om de kwaliteit van de frequentiemetingen in twijfel te trekken. Verklaar me voor gek en stuur de boze e-mails maar. Meten komt eenvoudig gezegd neer op het vergelijken van het te meten object met een standaard. Hieruit volgt eigenlijk vanzelf dat de nauwkeurigheid van de meting nooit groter kan zijn dan de nauwkeurigheid van de standaard.
Hoe zit dat met de frequentieteller? In uw counter, maar ook voor het display van uw transceiver dient een frequentiestandaard aanwezig te zijn en daarvoor wordt vrijwel zonder uitzondering een kristal gebruikt. Maar hoe nauwkeurig staat een kristal op frequentie en hoe goed blijft het op frequentie als:
- het kristal ouder wordt?
- de omgevingstemperatuur verandert?
- de counter schokken heeft ondergaan door transport en/of valpartijen?
- welke standaard is gebruikt voor de ijking?
- wordt de teller regelmatig gecalibreerd?
Met een 'normaal' kristal kan een nauwkeurigheid worden bereikt van circa 1ppm (parts per million = delen per miljoen) ook wel aangegeven als 10-6 en dat komt erop neer dat een frequentie van een miljoen hertz er een hertz naast kan zitten.
Wat is een hertz... erg weinig maar als we een signaal van 100 MHz meten wordt de afwijking 100 Hz en metingen op 23 cm kunnen al gauw een hele kilohertz afwijken.
Heeft de standaard een nauwkeurigheid van 1 ppm = 10-6 dan is een display met zes digits al mooi genoeg... waarbij we het zesde digit al niet helemaal kunnen vertrouwen want in de digitale techniek geldt voor het laatste digit altijd "plus of min een". De nauwkeurigheid van 1ppm wordt pas bereikt na calibratie want zo uit de verpakking geven de fabrikanten 50 ppm aan. Met calibratie wordt bier bedoeld het 'op frequentie zetten' van het kristal met de trimmer.
Was het maar waar dat ik met mijn teller op 70 cm (430 MHz) een afleesnauwkeurigheid van 100 hertz zou hebben. In de praktijk komen afwijkingen voor van ongeveer 3kHz. Het laatste segment van de uitlezing (het zijn er maar zes op deze teller) kan dus eigenlijk ook verdwijnen omdat er geen serieuze informatie meer op verschijnt. Een teller met 9 digits is ook voorhanden en wordt met beide tellers dezelfde frequentie gemeten dan zijn ze het na de eerste vijf cijfers zelden meer met elkaar eens. Negen digits geeft een schijnnauwkeurigheid van vier digits.
Is de nauwkeurigheid te verbeteren? Natuurlijk kan dat; dat is een kwestie van een betere standaard. Gemakkelijker gezegd dan gedaan... want een goed en dus duur kristal brengt wel enige verbetering maar onvoldoende voor metingen die er op aankomen. Een kristal in een oventje is nog iets beter maar nog steeds onvoldoende. Bovendien dient een kristal dat in een oven op een vrij hoge, maar constante, temperatuur wordt gehouden daarvoor speciaal geslepen te zijn. Met een 'gewoon' kristal in een oven zijn de resultaten beroerd!
Een meetinstrument moet bij ingebruikname geijkt worden en regelmatig, bijvoorbeeld 1× per jaar, gecalibreerd... ons volgende probleem.
Voor ijken is een standaard nodig, een standaard die veel beter is dan het apparaat dat we gaan ijken. U boft als u een vriendje heeft in een of ander laboratorium. De andere lezers hebben echter een probleem want waar haal je een ijkfrequentie vandaan om er je eigen kristal voor de eerste keer mee op frequentie te kunnen zetten en waarmee die frequentie regelmatig kan worden gecontroleerd?
Er zijn op de korte golf zenders te vinden waarvan de frequentie heel nauwkeurig wordt gehouden, zoals de zender WWW op 10 MHz. Maar hoe deze frequentie te meten? 'Zero beat' afstemmen met een oscillator en daarvan de frequentie meten gaat niet; het menselijk oor kan hele lage tonen niet goed waarnemen. Zo moeten we bij 'zero beaten' rekening houden met een afwijking die toch wel zo'n 20 Hz kan bedragen... een foutmarge die een goed kristal ook geeft op 10MHz. Hier schieten we dus niets mee op.
Het kan, 266 MHz meten met een resolutie van 10 Hz. Een goede standaard is noodzakelijk en een lange meettijd.
Radio
Zenders als WWW van het National Bureau of Standards (USA) hebben voor ons het nadeel dat het signaal van ver komt en daardoor vrij zwak is. Bovendien komen de zenders uit de Verenigde Staten alleen met condities bij ons binnen en een standaard willen we wel graag 24 uur per dag kunnen gebruiken en niet of en toe als de condities dat toelaten. Het zwakke signaal op een vrij hoge frequentie, op 10MHz maar ook op bijv. 15MHz is zo'n ijkstation aanwezig, maakt dat het signaal enorm moet worden doorversterkt om direct gebruikt te kunnen worden. Met 'direct' wordt bier bedoeld dat geen ontvanger met frequentietransformatie wordt gebruikt want dat zou de nauwkeurigheid van de standaard volledig tenet doen... maar in principe moet het kunnen: het 10MHz antennesigmaal zover doorversterken, tot bijv. 5V top-top, dat het direct het kristal kan vervangen.
Wat dichter bij huis zijn met name op de lange golf een aantal zenders te vinden met een opmerkelijke nauwkeurigheid van de frequentie. De zender van de BBC op 198 kHz is een voorbeeld van een radiozender waarvan de uitzendfrequentie gekoppeld is aan een atoomklok en een atoomklok heeft een stabiliteit van 10-11 of beter. Met het 'locken' van een counter aan een atoomklok kunnen we dan met een gerust hart tot negen digits gaan.
Wat bier over het "directe" gebruik van radiofrequenties is gezegd is louter theoretisch... in de praktijk treedt faseverschuiving en selectieve fading op tengevolge van propagatie. Het is wel mogelijk om deze afwijkingen uit te middelen met een PLL-regellus die een vrij grote tijdconstante zal moeten hebben. Dit maakt dan wel een einde aan het directe gebruik en compliceert de schakeling.
Televisie
Van de publieke zenders van in ieder geval Nederland, Duitsland en Engeland zijn de synchronisatiesignalen voor het beeld gelocked aan een atoomidok en dat wil zeggen dat we aan een TV een signaal met een frequentie van 15,625 kHz (lijnfrequentie) kunnen onttrekken en een 50Hz rasterfrequentie die volledig voldoen aan de eisen die we aan een standaard kunnen stellen.
De volgende zenders zijn in ieder geval uitstekend: Nederland 1, 2 en 3, ZDF, ARD en de zenders van de BBC. Van mindere kwaliteit tot onbruikbaar: de commerciele zenders als VOX, Kabel 1, Pro7 en dergelijke. Volgens velen is ZDF (Duitsland 2) het beste te gebruiken als standaard.
GPS
Om een nauwkeurige plaatsbepaling op aarde mogelijk te maken zijn de GPS-satellieten uitgerust met een atoomklok en sommige GPS-ontvangers, de Rockwell bijvoorbeeld, hebben uitgangssignalen waarin u die nauwkeurige atoomldokken terugvindt. De Rockwell biedt een 10kHz en een 1Hz signaal met een ijzelingwekkende nauwkeurigheid. Een GPSontvanger werkt pas met het signaal van drie of meer satellieten en middelt de atoomldokken van de ontvangen satellieten. Op deze wijze wordt een nauwkeurigheid bereikt die nog beter is dan die van slechts een atoomklok.
Uw eigen atoomklok
Van een eigen atoomidok kon je nog net zolang geleden slechts dromen maar zelfs dat begint zo langzamerhand tot de mogelijkheden van het amateurbudget te gaan behoren.
Atoomklokken worden al enkele jaren steeds meer voor allerlei doeleinden gebruikt en je vindt ze net alleen maar in bekende laboratoria en in satellieten. Bij het leger, bij telecommunicatie... overal waar het op een goede timing aankomt worden tegenwoordig atoomklokken - rubidium - gebruikt. Het grote gebruik heeft de fabrikagemethoden verbeterd, de afmetingen teruggebracht tot iets handzaams en de prijs aanzienlijk gedrukt.
Net als een kristal veroudert ook zo'n rubidiumklok waardoor de nauwkeurigheid wat afneemt en zoveel afneemt dat hij niet goed meer bruikbaar is voor die toepassingen waarbij het werkelijk om de fantastische nauwkeurigheid gaat. Maar een dergelijke onnauwkeurige rubidiumklok is nog altijd 1000× of meer beter dan een duur kristal. Een afwijking vane minder dan 1 Hz/1 GHz wordt met zo'n uitgediende rubidiumklok toch altijd nog gehaald. Deze dingen zijn inmiddels op radio-onderdelenmarkten gesignaleerd. Waar moet u naar uitkijken? Naar een zwart kastje van het merk EFRATOM, ongeveer zo groot als een CD-speler voor in de computer.
Atoomklok koppelen
Dat de signalen van de standaard op hetzelfde niveau gebracht zullen moeten worden gebracht als die in de teller zal duidelijk zijn. Over het algemeen zal dat een blokgolf zijn met een 'hoogte' van 5 volt. Met een paar simpele versterkertrapjes is dat net moeilijk te realiseren.
Lastiger wordt dat met de verschillende frequenties zoals: 198 kHz, 50 Hz, 10 kHz en 15625 Hz. Deze frequenties zullen we moeten aanpassen op de frequenties die in een counter worden gebruikt. Alvorens we ons gaan verdiepen in deze aanpassingen gaan we eerst eens kijken welke signalen zoal in een teller worden gebruikt... hoe werkt een teller eigenlijk?
De frequentie van een signaal wordt gedefinieerd als het aantal perioden, wisselingen, per seconde. Bieden we het signaal waarvan we de frequentie willen bepalen aan op een teller via een schakelaar die exact een seconde wordt gesloten dan worden door de schakelaar zoveel pulsen doorgelaten als er perioden in een seconde gaan. Nadat het aantal pulsen is geteld en afgebeeld op het display wordt de teller weer op nul gezet en de schakelaar wordt weer exact een seconde gesloten. Op deze manier wordt confirm de frequentie gemeten.
Fig. 1. Sterk vereenvoudigd blokschema van een frequentieteller
Aangezien een dergelijke digitale schakeling slecht met een analoge sinus uit de voeten kan wordt het signaal aan de ingang eerst van een sinus in een blok omgezet door de sinus flink te versterken in een blokkerende versterker. De hoogste frequentie die door de digitale teller-IC's kan worden verwerkt is beperkt tot 30..50 MHz, afhankelijk van de gebruikte digitale IC-familie.
Voor hogere frequenties wordt eerst een snelle voordeler gebruikt die het te tellen signaal deelt tot een lagere frequentie. Over het algemeen worden voordelers gebruikt met makkelijke digitale getallen zoals 256, 128 of 64.
Fig. 2. Voor hogere frequenties, VHF-UHF-SHF wordt een voordeler gebruikt.
Als we het ingangssignaal vertragen (delen) met bijvoorbeeld een factor 256 dan zullen we ook de tijd die de schakelaar gesloten is moeten verlengen... in dit geval tot 256 seconden en dat is een dikke 4 minuten. Een meting per 4 minuten is bijzonder onhandig maar wilt u werkelijk met een nauwkeurigheid van 1Hz meten op een hoge frequentie dan duurt dat toch 'even', helaas. Brengen we de meettijd terug tot 2,56 seconde dan wordt de resolutie 100 Hz en duurt u dat nog te lang dan wordt de poorttijd (schakelaar) 0,256 seconden met een resolutie van 1 kHz.
Wordt met deze teller, met een poorttijd van 2,56 seconde, een signaal van bijvoorbeeld 500 MHz gemeten dan krijgt u op het display het volgende te zien: 00.500.0000. Van de negen digits bevatten de eerste twee digits geen informatie, de teller telt niet eens zo ver door in 2,56 seconde. De uiteindelijke resolutie blijkt in de praktijk toch maar 7 digits te zijn maar dat is toch wel 2 digits beter dan de 5 waarmee we dit artikel begonnen. Dit alles wel met het uitdrukkelijke uitgangspunt dat de schakelaar exact de tijd van 1 of 2,56 seconde gesloten is. Hoe we dat voor elkaar krijgen gaan we nu bekijken.
Als we starten met een goed gedefinieerde frequentie wil dat nog niet zeggen dat daarmee de schakelaar, de telpoort, ook de juiste tijd gesloten is. Dat hangt van de duty cycle van het signaal al Stel dat het signaal van 3,9 Hz gebruikt wordt om de schakelaar te sluiten en dat de schakelaar dicht staat als het signaal hoog is. De duty cycle is zo op het oog: 75% van de tijd hoog en 25% laag. Daardoor is de meettijd veel te lang...
Daar is met een 2-deler wel wat aan te doen, de duty cycle wordt met zo'n deler altijd 50-50. Vrijwel alle flip/ flops zijn hiervoor bruikbaar, CMOS (4013) of TTL (74LS74) dat maakt niet uit.
Fig. 3. Een 2-deler geeft altijd een duty cycle van exact 50%...
Met de GPS
In het artikel "Referentiefrequentie met behulp van een GPS-ontvanger" in CQ-PA maart 2005 wordt een voorbeeld gegeven van een GPS-ontvanger die gekoppeld wordt met een counter. De GPS-ontvanger levert een zeer nauwkeurige 10kHz en die wordt gebruikt om de 10 MHz kristaloscillator van de counter exact op 10 MHz te krijgen en te houden.
Deze schakeling heeft echter een nadeel: we kunnen niet meten zonder de standaard, dat wil zeggen zonder een geldig GPS-signaal. GPS-ontvangst op de werkplek moet dus mogelijk zijn en dat zit er op de meeste werkplekken, binnenshuis, niet in. Bovendien kan het lump lang duren voordat een GPS die niet altijd aanstaat is ingeregeld... dat kan wel tot 20 minuten gaan duren.
Veel zou gewonnen zijn als we de regelspanning van de PLL (bijv. over C19) zouden kunnen meten bij een aan de GPS gelockte kristaloscillator. Stellen we diezelfde spanning in met een potmeter dan hebben we de kristaloscillator geijkt en dan kunnen we de GPS voorlopig missen.
In de praktijk blijkt bovendien dat niet elke GPS-ontvanger een 10 kHz signaal afgeeft, 1 Hz komt ook voor. Natuurlijk kunnen we de regellus van de PLL in de counter zo dimensioneren dat we ook met een 1 Hz referentie uit de voeten kunnen. De delers zullen dan echter aanzienlijk moeten worden uitgebreid om van 10 MHz tot 1 Hz te komen.
Verder blijken lang niet alle counters uit te gaan van een 10 MHz klokoscillator; ik heb er drie met resp. 8 MHz, 6,4 MHz en 4,915 MHz kristallen.
Met de TV
Er zijn veel manieren om aan een TVuitzending de synchronisatiesignalen te onttrekken. In CQ-PA nr 12, 1998, kunt u een ontwerp van Timo, PE1FOD, vinden waarin op basis van een TV-tuner een goede standaard wordt beschreven. De tuner moet nog van allerlei elektronica worden voorzien.
Het kan eenvoudiger... waarom zelf een synchronisatiescheider maken plus een PLL om de sync-signalen te stabiliseren als dit al in iedere TV geregeld is? We kunnen de synchronisatie zo van de horizontale afbuigspoelen afhalen. Hiertoe moet de TV wel even opengemaakt worden. Zoek op de afbuigspoelen, die op de hals van de beeldbuis gemonteerd zijn, een signaal van 15625 Hz. Dit gaat het beste met een scoop. De sterkte van dit signaal kan oplopen tot over de 100 volt, een zaagtand, en is athankelijk van het beeldformaat van de TV.
Met een spanningsdeler van weerstanden brengen we deze spanning terug tot een veilige waarde. Vergeet de diode niet om de negatieve terugslagpuls van de afbuiging te elimineren. Uw teller is niet galvanisch gescheiden van de TV.
Een galvanische scheiding is wel te realiseren, en daarbij hoeft de TV ook niet geopend te worden, door te koppelen met het sterke magnetische veld van de afbuigspoelen. Dat kunnen we doen met een ferrietantenne die wordt afgestemd op 15,625 kHz. De ferrietantenne dient er eentje te zijn met een spoel voor de lange golfband. De frequentie is een factor 10 lager dan voor de lange golf en dat betekent een parallel-C die 100× zo groot is als de ingedraaide afstem-C van ca. 300 pF → 33 nF.
Deze aanpassing is gemaakt voor een teller met discrete componenten van het type "ESSA ". By dit soort counters kunnen we de signaalloop in de counter wijzigen. Heeft u een teller waarbij dat niet mogelijk is, bijvoorbeeld omdat een microprocessor is toegepast, dan zal een PLL-lus op de kristalfrequentie moeten worden gerealiseerd.
Sluit de spoel aan op de skoop, zet de TV aan en beweeg de staaf rond de beeldbuis van de TV. Al snel zult u een plaats ontdekken waarop de grootste spanning in de ferrietantenne wordt geinduceerd... schuif nog even met de spoel over de staaf om de ferrietantenne in resonantie te brengen op 15,625 kHz.
Voor het gebruik op 15,625 kHz in plaats van 10,000 kHz in het ontwerp van Timo in de vorige CQ-PA zal ook nu weer een andere deler gebruikt moeten worden. Om van 10 MHz op 15,625 kHz te komen zal men door 640 moeten delen.
Bastiaan, PA3FFZ.