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Angesprochen sind all jene, die auch heute noch den Ehrgeiz haben, Gerate fur unser Hobby entweder komplett selbst zu bauen oder vorhandene altere Gerate mit einer Digitalskala nachzurusten.
Der Artikel soll Erfahrungen vermitteln, die beim Bau eines solchen Zahlers gemacht wurden und grundsatzliche Anforderungen definieren helfen. Er ist aber nicht als Kochrezept fur den Nachbau zu verstehen, weil das uber den gesetzten Rahmen doch hinausginge.
Die folgenden Punkte haben sich als beachtenswert herausgestellt:
1. Baugröße
Fur diesen Anwendungszweck ist so klein wie moglich zu bauen, denn in den wenigsten Geraten ist zuviel Platz vorhanden. Die Forderung klingt banal, ist aber eine Herausforderung an jeden Konstrukteur. Auch sollte unser Zahler so gebaut sein, daß er ordentlich an einer Frontplatte zu befestigen ist und dennoch dort nicht zuviel kostbaren Platz wegfrißt.
2. Störfreiheit
Nicht nur der Zähler selbst soll ungestort funktionieren, er darf auch in dem Gerät, in das er eingebaut wird, keine die Funktion beeinträchtigenden Störungen hervorrufen. Diese Forderung ist besonders bei Empfängern schwierig einzuhalten, weil diese ja möglichst das Gras wachsen horen sollen.
In der Hauptsache sind es zwei Quellen, aus denen das ergernis kommt:
- Der Oszillator fur die Zeitbasis
- Die Multiplex- und Treiberschaltung fur die Anzeige (ohne Multiplexen geht es wegen der limitierten Baugroße nicht!)
Abhilfe schafft nur uberleg.ter Aufbau und konsequentes Abblocken aller nach außen führenden Leitungen. Man sollte sich aber hier im klaren sein, daß trotzdem auf bestimmten Frequenzen zumindest der Zeitbasis-Oszillator zu hören sein wird, weil diese Logiksignale sehr oberwellenreich sind.
Manchmal ist es moglich, die Zeitbasis-Oszillatorfrequenz so zu wählen, daß in den Empfangsbereich keine oder nur wenig Oberwellen fallen. Doch sollte man bedenken, daß bei einer hohen Oszillatorfrequenz bereits niedrigere Harmonische in den geplanten Empfangsbereich fallen, und die sind normalerweise energiereicher, produzieren also kraftigere Storungen; es gilt also, hier einen Kompromiß zu finden, der auch noch von anderen Faktoren beeinflußt wird.
3. Stellenanzahl
Soferne man die Anforderungen nicht auf die Spitze treiben will, wirdes im allgemeinen genugen, im Kurzwellenbereich bis auf 100 Hz und auf den UKW- Bandern bis auf 1 kHz ablesen zu konnen; das ergibt in beiden Fällen 6 Stellen, wenn eine Torzeit von 0,1 Sekunden gewahlt wird und reicht auf KW fur alle Betriebsarten und auf UKW fur guten FM-Betrieb, nicht aber für SSB. Den Zahler vielleicht doch mit einer 7. Stelle versehen?
4. Genauigkeit, Zahlfehler
Unser Zahler soll einerseits klein sein und anderseits auch nicht allzu teuer werden. Ein thermostatgeregelter Quartoszillator, wie er in den großen, vielstelligen Laborzählern verwendet wird, scheidet somit aus.
Sinnvoll erscheint hingegen die Lösung, den Oszillator mit einem der billigen Uhrenquarze zu bestücken, wofür es auch die entsprechenden Teiler- IC in CMOS- Ausführung gibt. Die Frequenzkonstanz dieser Quarze liegt in der Größenordnung von 1 bis 10 ppm, was bedeutet, daß bei 6 Stellen die letzte bereits mit Unsicherheiten behaftet ist. (Die Frequenzänderungen stammen sowohl von der Alterung des Quarzes als auch von der Temperaturdrift, die mit einfachen Mitteln nicht zu vermeiden ist.)
Also ein weiterer Grund, bei einem solchen Projekt nicht mehr als 6 Stellen zu planen, weil eine 7. Stelle keinen Aussagewert besitzt! Diese überlegung gilt gleichermaßen auch fur alle 7- und mehrstelligen Zähler(bausätze), deren Herzschlag ohne zusatzliche Maßnahmen von einem solchen Quarz abgeleitet wird.
Der Zählfehler (Digitalisierungsfehler) entsteht, weil das öffnen und Schließen des Zahltores nicht mit dem Eintreffen der zu zahlenden Impulsen synchronisiert ist. Er betragt bei gleichmaßiger Zahlimpulsfolge ±0,5 Digit, bei Verwendung eines Vorteilers, der ausgangsseitig zur Erzielung eines dezimalen Teilerverhältnisses manche Impulse ausblendet, auch mehr(1). Die Folge ist, daß die letzte Ziffer der Anzeige in einem bestimmten Bereich hin- und herspringt. Durch Mittelung der angezeigten Werte kommt man auf den gemessenen Wert.
5. Torzeit
Die Wahl der Torzeit hat Einfluß einerseits auf die Schnelligkeit einer genauen Abstimmung und anderseits auf eine angenehme, moglichst ruhige Anzeige.
Es ist nicht tragbar, beispielsweise die in Laborzahlern ubliche Torzeit von 1 Sekunde auch bei unserem Zahler anzuwenden: Man mußte nach jeder Bewegung des Abstimmknopfes zumindest eine ganze Sekunde warten, bis die gultige Anzeige erscheint, stellt dann fest, daß man zu hoch oder zu tief liegt, verstellt und wartet wieder usw.
Die Torzeit von 0,1 Sekunde ist aus dieser Sicht einwandfrei. weil die richtige Anzeige unmittelbar vorliegt. Nur ist die letzte Ziffer aufgrund des Zahlfehlers übernervos.
Ein guter Kompromiß scheint 0,2 Sekunden zu sein. Man muß, um eine richtige Anzeige zu erhalten, lediglich bei der Wahl des vorgeschalteten Teilers (den man fast immer brauchen wird!) auf diesen Umstand achten. Kleiner Bonus am Rande: Wegen der doppelt so langen Torzeit ist nur die halbe Zählfrequenz am Eingang erforderlich und das gibt weniger Oberwellen- Storungen.
Rechenbeispiel:
Angenommen sei
Torzeit 0,2 s
Max. angezeigte Frequenz 30 MHz
Stellenzahl 6, d.h., Anzeige 30000.0(kHz) und somit Ablesung bis auf 100 Hz.
Um in 0,2s 300000 Impulse zu zahlen, ist eine Zahlereingangsfrequenz von 300000 : 0,2 = 1,5 MHz erforderlich. Der Vorteiler muß demnach auf ein Teilerverhaltnis von 30 MHz : 1,5 MHz = 20 ausgelegt werden.
Aufpassen muß man, daß die maximal anliegende Zählimpuls-Folge, die bei manchen Vorteilern um einiges über der mit einem Zahler gemessenen Frequenz liegt, nicht großer wird als sie der LSI- IC verarbeiten kann. Zu dieser Art von Vorteilern gehoren all die Schaltungen, die ein duales Teilerverhaltnis von z.B. 1:64, 1:256, 1:960 durch Ausblenden von Impulsen auf einen dezimalen Teilerfaktor bringen(1).
Zum Glück sind die Angaben der IC- Hersteller meist recht konservativ gehalten. MOSTEK gibt z.B. für den MK50398/50399 1,5 MHz an; ich habe eine Anzahl dieser ICs gepruft und jeder konnte bei normaler Temperatur und 12V Betriebsspannung 3,5 MHz einwandfrei verarbeiten. Man muß dies im Bedarfsfall untersuchen.
Überschreitet man bei obiger Rechnung die maximale Zählimpulsfolge, so kann man entweder die Torzeit doppelt so lang machen und den Teilerfaktor verdoppeln, was sich dann bei der Abstimmung schon bemerkbar macht, oder man erhoht den Vorteiler-Faktor um eine Dekade und hat dann halt eine um 1 Stelle weniger genaue Anzeige. Oder man sucht sich einen anderen LSI- IC und beginnt von vorne.
6. Programmierbarkeit
Sollte unser gutes Stuck für einen Empfänger bestimmt sein, so kommt man um die Programmierbarkeit der ZF-Ablage nicht herum, weil man ja nur die Frequenz des überlagerungsoszillators zahlen kann.
Die Forderung nach freier Programmierbarkeit der Ablage schrankt die Anzahl der verwendbaren LSI- ICs bereits merklich ein, denn langst nicht alle konnen das. Nur damit kann man aber auch an Empfanger herangehen, die exotische ZF- Frequenzen benutzen.
Ob man zur Programmierung Schalter verwendet oder Dioden einlotet, ist eine Platzfrage; auf jeden Fall direkt an die Zählerbaugruppe ohne lange Drahte! Arbeitet der Empfänger mit zwei verschiedenen ZF- Frequenzen, z.B. im unteren Empfangsbereich als Einfachsuper und im oberen als Doppelsuper, so muß man sich für eine Ablage entscheiden und bei der anderen Kopfrechnen. Eine automatische Umschaltung ist platzaufwendig und erfordert zumeist ebenfalls langere Leitungen, die dann wie lauter kleine Sendeantennen wirken und dafür sorgen, daß man den eigenen Empfang stort.
7. Ablesbarkeit
Die Große und Art der Anzeigen wird ebenfalls von einem Kompromiß bestimmt:
LCD fare gut, weil der Strom und somit die Störungen gering sind. Die Ansteuerung ist aber schwierig und es gibt nur wenige geeignete ICs. Deshalb wird diese Losung in den meisten Fällen ausscheiden.
LED stort zwar des hoheren Stromes wegen leichter beim Empfang, ist aber billig und viele ICs sind hiefür ausgelegt. Notfalls kann man sich mit Treibern für die Anzeige behelfen, wenn der LSI- IC den Strom nicht aufbringt.
Als Zifferngroße scheint 7mm ein guter Kompromiß, denn 10- oder 12mm -Digits brauchen schon recht viel Platz und die Taschenrechner- Anzeigen mit 3-4mm sind arg klein. Für die 7mm -Anzeigen spricht auch, daß man die Zählerelektronik nicht wesentlich kleiner machen kann als man für die Anzeigen Platz braucht. Die Helligkeit ist bei LEDs mit den Vorwiderstanden bequem einzustellen.
8. Empfindlichkeit
Die maximale Eingangsfrequenz der eigentlichen Zähler- LSI- ICs liegt im Bereich von 1 bis 10 MHz und das Eingangssignal muß dem Chip entsprechend TTL- oder CMOS- Pegel aufweisen. Falls der gesamte Kurzwellenbereich abgedeckt werden soll, ist man also bereits auf einen Vorteiler angewiesen, der mit TTL aufgebaut wird und seinerseits einen vorgeschalteten Verstärker braucht. Maßgebend für die Empfindlichkeit ist somit die Baugruppe "Vorteiler" und nicht die Baugruppe "Zähler".
Es genügt also, vor den LSI- IC eine Schaltung zu setzen, die das Ausgangssignal des Vorteilers auf den richtigen Pegel anhebt. Für den Fall, daß ein solcher Zähler ohne Vorteiler betrieben werden soll, ist ein abgesetzter Vorverstärker zu empfehlen. Man ist dann die Sorgen mit Einstreuungen der Multiplex-Frequenz in den empfindlichen Vorverstärker und daraus resultierenden Zählfehlern los.Von übertriebenen Ansprüchen an die Empfindlichkeit des Vorverstarkers sei ausdrücklich abgeraten, weil dann auch jede kleinste Brummspannung mitgezählt wird, was keinesfalls in unserem Interesse sein kann. Etwa 50mV reicht in den meisten Fällen.
9. Stromverbrauch
Ein mit LEDs bestückter Zähler ist für batteriebetriebene Gerate nicht geeignet. Und bei netzbetriebenen braucht man nicht allzu-sehr zu geizen. Trotzdem wird man den Zeitbasis- Oszillator nicht unnotig aufheizen und deshalb maglichst CMOS- ICs einsetzen. Typische Werte sind dann ca. 50mA bei 12V für Pegelanpaß-Verstarker, Zeitbasis und LSI- IC sowie ca. 150mA bei 5V für die Anzeige. Dazu kommt noch ein Vorteiler oder Vorverstarker mit 50-150mA bei 5V. Damit wird das Netzteil des zu erweiternden Gerates wahrscheinlich nicht über Gebühr belastet.
10. Frequenzbereich, Bauteile
Mit dem Konzept eines Vorverstärker- Vorteilers und nachgeschaltetem Zahler lassen sich Segmente des gesamten Bereiches von 10 kHz bis über 2 GHz abdecken. An Beispielen sei dies gezeigt; als Zähler- IC soll der MK50398/50399 angenommen werden:
Bereich 10 kHz bis 70 MHz: Vorteiler 1:20 mit 74LS196 (:10) und 7474(:2); maximale Impulsfolge am Zählereingang beträgt 3,5 MHz, letzte Stelle zeigt 100 Hz an.
Bereich 30 MHz bis 450 MHz: Vorteiler 1:200 mit U644 und Dezimalisierung von 64 auf 100; maximale Impulsfolge am Zählereingang betragt 450:200 x 100:64 = 3,516 MHz, letzte Stelle zeigt 1 kHz an.
Bereich 100 MHz bis 1,5 GHz: Vorteiler 1:2000 mit SDA 4211 und Dezimalisierung von 64 auf 100; maximale Impulsfolge betragt 1,17 MHz, letzte Stelle zeigt 10 kHz an. (Der Teiler funktioniert ab 5 MHz).
Für den Zähler sind außer dem LSI- IC keine Spezialbauteile erforderlich, sodaß mit keinen großeren Beschaffungsschwierigkeiten zu rechnen ist.
Als Platinenmaterial ist auch das altbekannte Hartpapier verwendbar. Es ist leichter zu bearbeiten als Epoxi und das lästige Bohrerschleifen fallt weg. Für schnelle Vorteiler ist Hartpapier aber ungeeignet!
11. Praktische Erfahrungen
Ich habe nach diesen Gesichtspunkten einen Zähler gebaut, der in einem 2m- Panorama- Empfänger ohne besondere Abschirmung eingesetzt ist. Bei angeschlossener Hochantenne (15m RG213) ist außer der 44. Oberwelle des Zeitbasis- Oszillators mit ca 3dB über dem Rauschen auf 144,179 MHz keine Storung feststellbar. Mit einem unmittelbar an der untennen buchse einstecken mbda. Stat (eine eher unübliche Betriebsart) ist die Zeitbasis mit 12dB und an zwei anderen Stellen Breitbandrauschen mit ca. 10dB über dem normalen Rauschpegel feststellbar.
Bei Bedarf kann mit einer ordentlichen Abschirmung sicher eine merkliche Verbesserung erzielt werden.
Literaturverzeichnis
OE5GPL, Helmut Stadelmeyer.