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Kurzwellen-VFO; 5 bis 6 MHz
4. Ein VFO für 5 bis 6 MHZ
Um nach dem Beschäftigen mit den Grundlagen (UKW - Berichte 3/1984) einen problemlosen Einstieg in die Technik der PLL - VL - Oszillatoren zu ermöglichen, soll mit einer leicht nachbaubaren Schaltung begonnen werden. Einen VFO in diesem Frequenzbereich kann man beispielsweise als Oszillator für einen 80-m/20-m-Empfänger oder -Transceiver verwenden (Einfachsuper mit 9 MHz ZF). Der erwähnte Frequenzbereich ist nicht bindend; die Baugruppe ist für den Bereich von 2,5 bis 7,5 MHz geeignet (Durchlaßbereich der Verzögerungsleitung), also auch für CW-Portabelsender und (Direktmisch-) Empfänger im 80- und 40-m-Band.
Auch wenn an solchen Projekten kein Interesse besteht, sind Material- und Zeitaufwand nicht vertan, denn die in diesem Abschnitt vorgestellte Leiterplatte kann praktisch ohne Änderungen für alle weiteren Baubeschreibungen in dieser Aufsatzreihe verwendet werden.
4.1. Schaltung des VFO
Der besseren Übersichtlichkeit wegen wurde das Gesamtschaltbild des VFO in drei funktionsmäßig selbständige Blöcke aufgeteilt. Bild 16 zeigt die Schaltung des VCO mit Ausgangsstufe und Pegelregelung. Der frequenzbestimmende Schwingkreis wird von L1, C1, C2 und den Abstimmdioden D1 und D2 gebildet. Der Signalweg der Rückkopplungsschleife führt über C4-T1-C9-T2-05, als aktive Elemente werden zwei dual-gate-MOSFETs im A-Betrieb verwendet; diese sind sowohl rauscharm als auch in der Lage, hinreichend hohe Signalleistungen zu verarbeiten (siehe Teil 1, Abschnitt 2.1.).
Bild 16: Schaltung des VCO.
Am Drainanschluß von T1 kann das Oszillatorsignal ohne Rückwirkung auf den Oszillatorkreis abgenqmmen werden, es gelangt von dort zur Ausgangsstufe I1. Hierbei handelt es sich um einen mehrstufigen, integrierten Gegentakt-Emitterfolger (Spannungsverstärkung = 1, hoher Eingangs- und niedriger Ausgangswiderstand, einsetzbar bis etwa 40 MHz), der eine vergleichsweise hohe Ausgangsleistung bei geringem Betriebsstrom (B-Betrieb) aufweist. Am Ausgang des VFO (Pt2 + R15) kann ein standard-level-Ringmischer direkt angeschlossen werden (Pegel: +7 dBm, Innenwiderstand: 50 Ω); ein zweiter Ausgang (Pt3) ist für den variablen Phasenschieber vorgesehen.
Um optimale und konstante Signalpegel innerhalb der Schaltung und ein sauberes Sinussignal am Ausgang sicherzustellen, wurde eine automatische Pegelregelung vorgesehen. Die Diode D4 erzeugt eine Gleichspannung, deren Höhe proportional zu der an Pt2 anstehenden HF-Spannung ist. C9 und D3 bilden einen variablen Spannungsteiler, mit dessen Hilfe die Gesamtverstärkung der Schaltung so eingestellt wird, daß der Ausgangspegel konstant bleibt. T3 sorgt für die notwendige Spannungsverstärkung, was für eine ausreichende Regelsteilheit erforderlich ist.
Die Betriebsspannung für den Ausgangstreiber wird über Pt4 eingespeist; der VCO erhält seine besonders sorgfältig gesiebte Versorgungsspannung über den separaten Anschluß Pt 5.
Für die Varaktordioden wurde ein Typ mit "hyperabruptem" Dotierungsprofil gewählt; diese Dioden weisen einen großen Kapazitäts-Variationsbereich bei relativ geringem notwendigen Sperrspannungsbereich auf. Der gewählte Typ wurde für AM-Tuner in tragbaren Rundfunkgeräten entwickelt (9V Versorgung), er ist wegen großer Produktionsmengen preiswert erhältlich.
Bild 17 zeigt die Schwingfrequenz des VCO in Abhängigkeit von der an Pt1 liegenden Abstimmspannung.
Bild 17: Schwingfrequenz des VCO als Funktion der Abstimmspannung.
Der nächste Schaltungsteil ist in Bild 18 dargestellt. Das von Pt3 stammende VCO-Signal wird über Pt6 einer Verstärkerstufe mit dem Transistor T4 zugeführt. Die Stufe ist gegengekoppelt (R20, C19), so daß der Transformator Tr niederohmig gespeist werden kann und deshalb einen flachen Frequenzgang aufweist. Funktion und Schaltung des variablen Phasenschiebers wurden bereits im ersten Teil erläutert; die Stabilisatorstufe mit T5 und D9 sorgt für brumm- und rauscharme Diodenspannungen.
Bild 18: Phasenschieber, Verzögerungsleitung und Phasendetektor mit Filter.
Abstimmelement ist das mit P1 bezeichnete Sinus-Cosinus-Potentiometer. Es wird über Pt8 und Pt11 versorgt; Pt9 ist mit dem Anschluß "S" (Sinus), Pt10 mit "C" (Cosinus) verbunden, Anschluß "E" bleibt unbenutzt. Durch Vertauschen von S und C kann die Abstimmrichtung umgedreht werden (Rechtsdrehen - niedrigere Frequenz).
Die Verzögerungsleitung VL erhält ihr Eingangssignal von T4 über C24 und Pt14. Ihr Ausgang ist über Pt17, R39 und C45 mit dem Eingang eines Begrenzerverstärkers I3 (TBA120) verbunden. Durch dessen Begrenzung hat die Durchlaßkurve der Verzögerungsleitung keinen Einfluß mehr auf die Schaltungsparameter (solange die Signalamplitude noch genügend Abstand zum Rauschen hat).
I3 beinhaltet außer dem Verstärker noch einen sogenannten Koinzidenzdiskriminator, der schaltungstechnisch mit einem Analogmultiplizierer identisch ist. Der eine Eingang des Multiplizierers ist intern mit dem Ausgang des Begrenzerverstärkers verbunden, der andere über die Anschluß-pins 7 und 9 nach außen geführt. Hier wird über C46 und C47 das in I2 verstärkte und ebenfalls amplitudenbegrenzte Ausgangssignal des variablen Phasenschiebers im Gegentakt eingespeist. Für I2 kann ein stromsparender Typ eingesetzt werden (S041 P), für I3 jedoch nicht, da sonst der Ausgangsspannungshub bei der hier diskutierten Anwendung zu klein wäre.
An Stift 8 von I3 steht das Ausgangssignal des Phasendetektors zur Verfügung. Bevor es über Pt13 dem nächsten Schaltungsteil zugeführt wird, muß es einen aktiven Tiefpaß mit den Transistoren T6 und T7 durchlaufen. Dieser Tiefpaß hat eine Grenzfrequenz von 120 kHz; er sorgt dafür, daß breitbandige Rauschspannungen aus I3 vom VCO ferngehalten werden. Die relativ hohe Grenzfrequenz ist notwendig, um die Phasenverhältnisse im Regelkreis nicht zu stören.
Das Schaltbild des Reglers ist in Bild 19 gezeichnet. Das vom Phasendetektor ausgekoppelte Signal gelangt über R46 und Pt18 auf den Eingang des PI-Reglers (siehe Teil 1, Abschnitt 2.4.); dieser besteht aus einem FET - Operationsverstärker (I4) und einigen passiven Bauteilen. Die Integrationszeitkonstante errechnet sich aus C55 × (R49 + R50), sie beträgt etwa 200 µs und ist damit kurz genug, daß niederfrequente Störungen im Regelkreis (z.B. durch Brumm und Mikrofonie) ausgeregelt werden können.
Bild 19: Schaltung des Reglers (loop filter).
Die Ausgangsspannung von I4 wird über Pt23 dem VCO als Abstimmspannung zugeführt, die Wechselspannungsanteile sind durch R54 -R55 - C57 auf etwa ein Zehntel abgeschwächt. Dies reduziert die Störmodulation des VCO.
Das über R47 an Pt19 angeschlossene Potentiometer P2 gestattet eine Feineinstellung der erzeugten Frequenz; bei der in Bild 19 angegebenen Dimensionierung beträgt die Variation ca. ± 750 Hz.
Den Schaltkreis I5 kann man als ferngesteuerten Analogschalter bezeichnen. Ist der an Pt22 angeschlossene Kontakt S1 geschlossen, dann sind die mit 1 - 2, 3 - 4 und 8 - 9 bezeichneten "Schalter" geöffnet und die Schaltung arbeitet wie beschrieben. Öffnen von S1 schließt die drei Analogschalter: 8 - 9 schließt (über R49) das Eingangssignal kurz, 3 - 4 entlädt den Integrationskondensator und macht I4 zum Proportionalverstärker, schließlich legt 1 - 2 über Pt20 und R48 das Potentiometer P3 an den Eingang des Operationsverstärkers. In diesem Zustand kann der VFO über P3 direkt abgestimmt werden (zum schnellen Frequenzwechsel); Schließen des Schalters S1 bewirkt, daß die Schaltung im nächstgelegenen Rastpunkt synchronisiert (maximale Abweichung: ± 7,8125 kHz). Nun ist für die Abstimmung wieder P1 zuständig.
4.2. Aufbauhinweise
Für den Aufbau der beschriebenen Schaltung ist die Leiterplatte DK1OF 046 vorgesehen. Sie ist einseitig kaschiert, hat die Maße 135 mm × 50 mm und paßt in ein Standard-Weißblechgehäuse. Ihr Bestückungsplan ist in Bild 20 dargestelt.
Bild 20: Bestückungsplan der VFO-Leiterplatte DK1OF 046.
Bei den mechanischen Arbeiten beginnt man zweckmäßig mit den Bohrungen für die Durchführungskondensatoren (Pt 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 19, 20, 21, 22) und HF-Buchsen oder Lötdurchführungen (Pt 2, 3, 6) in den Gehäuse-Seitenteilen. Danach wird die (unbestückte) Platine auf ihr genaues Maß zurechtgefeilt und ins Gehäuse gelötet (Abstand zwischen Platine und Gehäuseunterkante etwa 6 mm). Es folgen die beiden Abschirmwände mit den Durchführungskondensatoren zwischen Pt 1 und Pt 23 bzw. zwischen Pt 13 und Pt 18. Diese Abschirmbleche sind in Bild 20 als gestrichelte Linien gezeichnet. Die Widerstände R11, 12, 15, 34, 45, 46, 47 und 48 sind stehend zwischen Durchführungskondensator bzw. HF-Buchse und Leiterplatte einzulöten.
Nun kann die Platine mit den restlichen Bauteilen bestückt werden. Für die integrierten Schaltungen kann man Steckfassungen verwenden (außer bei I1); hierbei die Drahtbrücke unter I 5 nicht vergessen! Bild 21 zeigt die soweit fertiggestellte Baugruppe.
Bild 21: Im Musteraufbau wurden SMC-Buchsen und eingelötete Röhrchen zum Festschrauben von Deckel und Baugruppe verwendet.
| I1 | LH0002CH (National Semiconductor) |
| I2 | S041P (Siemens) oder TBA120 |
| I3 | TBA120 (verschiedene Hersteller) |
| I4 | LF356N (Siemens) oder LF356H |
| I5 | 4066B (verschiedene Hersteller) |
| T1, T2 | 40673 oder 40841 (RCA) |
| T3, T5, T7 | BCY59, BC109, BC413, BC550 oder ähnl. NPN-Transistor |
| T4 | BFT66 (Siemens) |
| T6 | BCY79, BC 179, BC415, BC560 oder ähnl. PNP-Transistor |
| D1,2,3,5,6,7,8 | KV 1236 (Componex GmbH, Düsseldorf) |
| D4 | AA 118 oder ähnliche Ge-Diode |
| D9 | BZX97C10 oder andere 10V-Z-Diode |
| D10 | BZX97C6V8 oder andere 6,8V-Z-Diode |
| C22 | Tantal-Elko 4,7 µF/35V, stehend, RM 5mm |
| C31,35,36,37,38,53,59 | Tantal-Elko 22 µF/16V, stehend, RM 5mm |
| C57 | Tantal-Elko 10µF/25V, stehend, RM 5mm |
| Alle übrigen Kondensatoren: keramische Scheiben 30V = | |
| Rastermaß für alle Widerstände: mind. 7,5mm | |
| L1 | Siemens-Schalenkern 14 × 8, Material K12, AL = 20 Best.Nr. B65541-K0020-A012; Spulenkörper: Best.Nr. B65542-A0000-M002 (2 Kammern). 9 Wdg. 0,25mm (versilberter) isolierter Kupferdraht, Kernhälften und Wickel mit Epoxykitt verklebt. |
| L2 | Ferritdrossel 68 µH |
| Tr | Kern und Spulenkörper wie bei L1; prim. 8 Wdg. 0,3 mm Cu-LackDraht (in eine Kammer) sek. 2 × 4 Wdg. 0,3mm CuL bifilar (in andere Kammer) |
| VL | PAL-Verzögerungsleitung, z.B. DL-700 (Philips) |
| P1 | Sinus-Cosinus-Potentiometer 1 kΩ, Typ SCX50 (MEGATRON, 8011 Putzbrunn Tel.: 089-463021) |
| P2, P3 | Schicht-Drehwiderstand 10 kΩ/0,25 W, linear |
Die Verzögerungsleitung liegt flach auf den übrigen Bauteilen dieses Schaltungsteils und zwar so, daß sich kurze Verbindungen zu den Anschlußpunkten Pt14 bis Pt17 ergeben. Zwischen Gehäusedeckel und Verzögerungsleitung legt man ein Stück Schaumstoff passender Dicke zu deren Fixierung.
4.3. Inbetriebnahme
Zunächst wird der VCO untersucht. Zu diesem Zweck legt man die Versorgungsspannung von +15V an Pt4 und Pt5 (über R11 bzw. R12), und an Pt1 (von Pt23 abgetrennt) eine einstellbare Vorspannung von 0 bis +10V, die man über ein Potentiometer (ca. 10kΩ) der 15-V-Versorgung entnehmen kann. Der Ausgang (Pt2 über R15) wird mit einem Frequenzzähler verbunden (50-Ω-Eingang verwenden oder zusätzlichen Abschlußwiderstand anschließen).
Nun kann man die Abstimmkurve aufnehmen und mit Bild 17 vergleichen. Abweichungen der Abstimmspannung von 10 % am unteren und 20 % am oberen Bereichsende sind unbedenklich, Korrekturen sind durch Verändern von C1 oder C2 möglich.
Sollte der Oszillator überhaupt nicht schwingen, überprüft man zunächst die Spannungsabfälle an den Sourcewiderständen von T1 und T2 (Meßpunkt: Transistorgehäuse). Dort sollten Spannungen zwischen + 2V und + 3V zu messen sein. Bei größeren Differenzen sind die Transistoren gegen andere Exemplare auszutauschen. Ist trotz korrekter Spannungswerte kein Schwingen festzustellen, wird C9 probeweise auf etwa 20 pF vergrößert. Am Kollektor von T3 sollte eine Gleichspannung zwischen +3V und + 6V stehen (Meßpunkt: Transistorgehäuse), sie ist durch C9 veränderbar.
Steht ein geeignetes Oszilloskop zur Verfügung (Grenzfrequenz ≥ 20 MHz), dann kann das Ausgangssignal bezüglich Pegel und Sinusform untersucht werden (50-Ω-Abschluß des Ausgangs nicht vergessen).
Soll der VFO nur für einen Teilbereich (z.B. 5 bis 5,5 MHz) ausgelegt werden, so empfiehlt es sich, dieses Intervall über den ganzen Abstimmspannungsbereich zu spreizen (siehe Teil 1, Abschnitt 2.1.). Dies kann dadurch geschehen, daß man eine der beiden Abstimmdioden (D1 oder D2) fortläßt und durch einen Festkondensator passender Größe ersetzt.
Nun wird das Abstimmpotentiometer P1 probeweise über Pt8 bis Pt11 an die Schaltung angeschlossen, Pt3 und Pt6 verbindet man mit einem Stück Koaxialkabel. Nachdem auch Pt7 und Pt12 an die Versorgung gelegt wurden, überprüft man den Gleichspannungspegel am Verbindungspunkt von R21 und R22. Dort sollten +9V zu messen sein (zulässige Toleranz: ± 1 V, Korrektur über R 21).
Das Voltmeter wird nun an Pt13 gelegt (oder an den Durchführungskondensator nach R45) und die provisorische Abstimmspannung an Pt1 so eingestellt, daß der Oszillator etwa in Bandmitte schwingt. Dreht man jetzt P1 durch, dann ändert sich die an Pt13 gemessene Spannung periodisch zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert. Das Minimum sollte nicht über +5 V, das Maximum nicht unter +9 V liegen (bei den Musteraufbauten gemessen : Umin = +4 V, Umax = +13 V), sonst dürfte I3 nicht in Ordnung sein (Vorsicht bei Sonderangeboten zweifelhafter Herkunft!).
Die Spannung an Pt13 ist bei geöffneter Regelschleife zeitlich nicht stabil, wofür die Freilaufdrift des VCO verantwortlich ist. Sie muß sich jedoch bei langsamem Drehen von P1 kontinuierlich ändern und darf nicht springen, was z.B. ein Hinweis auf wilde Schwingungen im VCO wäre.
Abschließend entfernt man die einstellbare Vorspannung wieder von Pt1 und verbindet diesen Punkt mit Pt23. Die Potentiometer P2 und P3 sowie der Schalter S1 werden probeweise angeschlossen. Nachdem auch Pt21 an +15 V gelegt wurde, muß sich bei geöffnetem Schalter S1 der Oszillator mit P3 über den gesamten Bereich abstimmen lassen.
Schließen von S1 veranlaßt die Schaltung, den nächsten Rastpunkt anzulaufen. Dieser liegt maximal ± 8 kHz von der eingestellten Freilauffrequenz entfernt. Ergeben sich größere Sprünge beim Umschalten, so ist hierfür das mechanische Prellen von S1 verantwortlich. Diesen Mangel kann man dadurch beheben, daß man einen Schalter mit Umschaltkontakt und zwei CMOS-Gatter zur Entprellung vorsieht, wie dies in Bild 22 dargestellt ist. Man beachte, daß bei CMOS-Chips unbenutzte Eingänge nicht einfach offen bleiben dürfen, sondern entweder mit Masse oder der Versorgungsspannung zu verbinden sind.
Bild 22: Entprellen des Schalters S1.
Zur Versorgung des Oszillators ist eine stabile und gut gesiebte Betriebsspannung erforderlich, die man beispielsweise einem Festspannungsregler (7815) entnehmen kann. Dieser Regler sollte nicht außerdem Baugruppen versorgen, deren Stromaufnahme stark schwankt (z.B. NF-Verstärker). Es wird empfohlen, die Versorgungsspannung für den VCO (Pt 5) über ein zusätzliches Siebglied zu führen (Serienwiderstand 22 Ω, dahinter Elko 1000 µF nach Masse).
Die Höhe der Versorgungsspannung ist nicht kritisch. Die Schaltung arbeitet auch noch mit 10 V, was für Portabelbetrieb interessant sein dürfte (12-V-Akku und Stabilisator). Der Gesamtstrom in Abhängigkeit von der Betriebsspannung ist in Bild 23 dargestellt.
Bild 23: Gesamtstrom in Abhängigkeit von der Betriebsspannung.
4.4. Meßwerte
Die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte wurden bei einer Versorgungsspannung von 15,0 V und konstanter Umgebungstemperatur von 22 °C gemessen.
| Frequenzbereich | 5 bis 6 MHz |
| Ausgangspegel | +7 dBm +500 mV an 50 Ω |
| Stromaufnahme | 76 mA |
| Frequenzdrift | < 100 Hz in den ersten 10 Minuten, danach < 10 Hz pro Stunde (Bild 24) |
| Oberwellenabstand | > 30 dB |
| Nebenwellen | keine |
| Seitenbandrauschen | siehe Bild 25 |
| Empfindlichkeit auf Spannungsschwankungen | -400 Hz/V |
Bild 24: Einlauf-Drift des Oszillators.
Zur Messung des Seitenbandrauschens wurde ein hochselektiver ZF-Verstärker (3 Quarzfilter) bei 10,7 MHz mit nachfolgendem Effektivwert-Voltmeter benutzt. Das Oszillatorsignal mußte deshalb frequenzverdoppelt werden (RK-2 von MCL). Die tatsächlichen Rauschwerte sind aus diesem Grund sicher noch besser als in Bild 25 angegeben.
Bild 25: Seitenbandrauschen nach Verdopplung auf 10,7 MHz.
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DK1OF, Joachim Kestler.