Stromsparende Frequenzanzeigeeinheit zum Einbau in tragbare Funkgeräte . Robert Tyrakowski, DK7NT, Oktober 2001 Einleitung
Erfreulicherweise wurden in letzter Zeit diverse tragbare Geräte entwickelt, die die bekannten und bewährten Transceiver wie IC202 und FT290 als Nachsetzer für Transverter verschiedenster Art ersetzen könnten. Da sich die rein digitale Frequenzerzeugung mit DDS dabei aber noch nicht durchgesetzt hat, ist ein großer Nachteil die schlechte Einstell- und Ablesemöglichkeit der gewünschten Frequenz. Versuche mit herkömmlichen Frequenzzählerschaltungen und üblichen Anzeigeeinheiten sind zwar vorhanden, jedoch ist die Akzeptanz zum Nachbau durch die Größe und den Stromverbrauch relativ schwach.
Im Prinzip ist zwar der hier vorgestellende Versuch der Lösung des Problems auch nichts anderes als die Wiederholung alt bekannter Frequenzzählertechnik, der Unterschied liegt jedoch darin, dass bei der Realisierung auf modernste Komponenten zurückgegriffen wurde. Dadurch ergeben sich jedoch wiederum andere Probleme für den Amateurbastler, die in der Beschaffung, im handwerklichen Aufbau und bei der Programmierung der Komponenten liegen. Dies soll aber nicht abschreckend bemerkt sein, sondern als Entscheidungshilfe für weniger geübte Bastler dienen. Eingefleischte SMD-Gegner werden hier fündig werden und reichlich Nachteile dieser Technik für Hobbybastler aufdecken . Aber warum soll man nicht auch im Amateurfunk auf moderne Technologien zurückgreifen und sich nicht neuen Herausforderungen stellen dürfen?
Konzept
Bei der Planung der Anzeigeeinheit wurde auf das Standardprinzip von Frequenzzählern zurückgegriffen, das auf Eingangsstufe, Torschaltung, Zähler, Anzeigeeinheit und Kontrolleinheit beruht. Bei der Auswahl der zu verwendenden Bauteile wurde allerdings darauf geachtet, dass der Zähler aus so wenig Komponenten wie möglich besteht . Diese wurden dann noch nach dem Gesichtspunkt der Stromersparnis ausgewählt. Aus Flexibilitätsgründen ist eine softwaregesteuerte Mikrocontrollerlösung gewählt worden. Abb1. zeigt das Blockschaltbild der Zähleinrichtung.
Der Kern des Zählers bilden zwei Komponenten. Einmal das 8051 Derivat von ATMEL AT89C4051 [3] und das XILINX FPGA [2] (Field Programmable Gate Array) XCR3128XL. Der Mikrocontroller bedient per Software alle Komponenten des Zählers und sorgt für die Darstellung des Zählergebnisses auf der LCD-Anzeige . Das FPGA beinhaltet die gesamte komplexe Logik des Zählers, sodass extern eigentlich nur noch die Stromversorgung, die Pegelumsetzung, der Vorteiler und die LCD-Anzeige angeschlossen werden müssen.
Die LCD-Anzeige kann entweder eine 3-zeilige und extrem stromsparende sog. Chip-On-Glass Anzeige sein, eine superkleine 2-zeilige Anzeige TRR6030 die bei Conrad Electronic [6] zu bekommen ist, oder eine beliebig große 2-zeilige LCD-Anzeige mit zwischengeschaltetem Busumsetzer. Alle Anzeigen können alphanumerische Zeichen darstellen und werden über den I2C-Bus angesprochen. Dies erlaubt auch eine einfache räumliche Trennung von Zählerelektronik und Anzeige falls dies erforderlich ist. Der Kontrast der LCD-Anzeigen EA7123 und TRR6030 ist zwar nicht besonders groß, aber trotzdem halbwegs gut lesbar. Nach Bedarf kann die Anzeige EA7123 auch durch verschiedene Lichtquellen hinterleuchtet werden.
Der Vorteiler ist ebenfalls eine extrem stromsparende Ausführung im SO8 Gehäuse. Für 1.1Ghz gibt der Hersteller Motorola [4] ca. 4 mA Stromverbrauch an.
Abb 1: Blockschaltbild Fx-Gnome
Warum werden sich viel fragen, wurde ein FPGA eingesetzt und nicht mehr Aufgaben dem Prozessor übertragen oder gebräuchliche Logik benutzt? Die Antwort ist einfach. Der Prozessor arbeitet mit 4 bis 5 Mhz und ist mit seiner Peripherie daher viel zu langsam um weitere Aufgaben der Zählers zu übernehmen. Bei der gebräuchlicher Logik muß man sich vor Augen halten, wieviel IC's benötigt würden um nachfolgnedes zu realisieren:
- einen umschaltbarer 20bit-Teiler 11.3/12.85/13.0/14.8 Mhz auf 100/10/1 Hz für die Torzeit
- die Frequenzzähler Torschaltung
- einen 28bit-Zähler für die Frequenzzählung
- die Addressdekodierung zum Auslesen und Programmierung mit entsprechenden Zwischenspeichern, sowie bidirektionalen Datenbuffer
- eine Porterweiterung zum Einlesen von Betriebsart, gewünscher Torzeit ,
Offsetauswahl , etc.- ein Teiler durch 3 für CPU Clock
- und das bei einem Stromverbrauch von ca. 3 mA und einer Fläche von
ca. 15*15 mmAus dieser Sicht konnte also nur dieses FPGA verwendet werden, ganz abgesehen davon, daß durch die Flexibilität und Wiederprogrammierbarkeit , dem Entwickler viele Kopfschmerzen erspart wurden.
Eigenschaften
Unter dem Gesichtspunkt der Verwendung in tragbaren Funkgeräten, ist die Anzeigeeinheit neben geringstem Stromverbrauch darauf ausgelegt die dort üblichen Frequenzplanverhältnisse zu berücksichtigen. Zum Sende und Empfangen kann jeweils ein Offset addiert oder subtrahiert werden (auch gemischt). Eventuelle Vorteiler werden berücksichtigt. So ist es möglich 4 verschiedene Frequenzpaare für Empfangen und Senden vom Anwender her vorzusehen. So können z.B. bei Verwendung als Nachsetzer mit Transverter für das 23cm , 3cm oder 1.3cm Band die tatsächlichen TX/RX Frequenzen einfach durch umschalten des Bereiches angezeigt werden. Die Einstellung kann der Anwender mit Hilfe eines PC-Tools vornehmen. Wird der eingebaute Vorteiler nicht genutzt, ist die Zählerfrequenz auf ca. 180 Mhz begrenzt. Dabei kann zwischen einer Torzeit von 1 Sekunde oder 0.1 Sekunde gewählt werden. Dies bedeutet dann ein Anzeige auf 1 Hz oder 10 Hz Stelle. Mit Vorteiler erhöht sich die Eingangsfrequenz auf das 2, 4, 8 oder x-fache (bei Vorteiler durch x) Natürlich sinkt dadurch aber die Auflösung um den gleichen Faktor. Das übliche flackern der letzten Stelle wird dabei durch die Torschaltung und durch Software verhindert.
Bekanntlicherweise ist ein Frequenzzähler nur so genau wie seine Referenz. Ein guter Kompromiss sind TCXOs (temperaturkompensierte Quarzoszillatoren) aus dem Mobiltelefonbereich. Diese Oszillatoren sind leicht zu beschaffen, gut abzugleichen und relativ temperaturstabil. Die Anzeigeeinheit verarbeitet die verschiedenen Standardfrequenzen die durch externe Lötbrücken einstellbar sind. Eine gute Quelle für TCXOs ist unter [5] zu finden. Um ein zusätzliches Quarz zu sparen, wird die TCXO Frequenz durch 3 geteilt als Clock für den Mikrocontroller benutzt. Dabei spielt es keine Rolle dass je nach TCXO die Frequenz zwischen 3 und 5 MHz liegt.Betriebsarten
Es gibt drei Betriebsarten (Modi) der Baugruppe, die durch Programmierung mit dem PC-Tool auswählbar sind. Dabei wird eigentlich nur die Darstellung der Anzeige der jeweiligen Betriebsart angepasst. Die Funktion selbst verändert sich hingegen nicht.
Mode 0 : Frequenzzähler mit on-board Vorteiler: (1)
Wert bei Teilungsfaktor im PC-Tool : 0
Durch 2 externe Jumper kann der Teilungsfaktor von 1,2,4 oder 8 gewählt
werden ( IN6,IN7) wobei der on-board Vorteiler automatisch umgeschaltet
wird. Die Umschaltung durch Umprogrammierung mit dem PC-Tool ist
nicht erforderlich.
Mode 2 : Frequenzanzeige für Funkgeräte mit on-board Vorteiler: (1)
Wert bei Teilungsfaktor im PC-Tool : 255
Durch 2 externe Jumper kann der Teilungsfaktor von 1,2,4 oder 8 gewählt
werden ( IN6,IN7), wobei der on-board Vorteiler automatisch umgeschaltet
wird. Die Umschaltung durch Umprogrammierung mit dem PC-Tool ist
nicht erforderlich.
Mode 3 : Frequenzanzeige für Funkgeräte mit beliebigem Vorteiler: (1)
Wert bei Teilungsfaktor im PC-Tool : 2 .. 254
Der Teilungsfaktor zur Berechnung der tatsächlichen Frequenz hängt nur
vom Wert ab, der mit dem PC-Tool vorprogrammiert wurde. Dieser muß
dem Teilungsfaktor des externen Vorteilers entsprechen und kann
zwischen 2 und 254 betragen.
(Mode 1 ist derzeit nicht verfügbar).Allen Betriebsarten sind folgende zusätzliche Funktionen gemeinsam:
No Flicker Of Last Digit (NFOLD):
Zur Unterdrückung des Flackern der letzen Stelle ist ein
Softwaremechanismus eingebaut, der das häufige Wechseln den letzte
angezeigten Stelle um +/-1 verhindert wenn für einige Sekunden die
Differenz von aufeinanderfolgenden Zählungen nicht größer als der Betrag
von 1 war. Zunächst wird also der tatsächliche Zählerwert angezeigt.
Dies wird durch einen * nach MHz signalisiert. Verschwindet der * nach
einigen Sekunden ist der NFOLD Mechanismus aktiviert. Sobald die
Differenz von aufeinanderfolgenden Messungen größer 1 wird, wird der
NFOLD-Mechanismus wieder deaktiviert. Dieser Mechanismus ist generell
nicht abschaltbar.
Automatic Gate Selection (AGS): (1) (2)
Wenn die Torzeit 1 Sekunde beträgt und die Differenz von zwei
aufeinanderfolgenden Zählerwerten größer als 30 Hz ist, wird die Torzeit
automatisch auf 0.1 Sekunde umgeschaltet. Ist die Differenz nun von
Messungen zu Messung für einige Sekunden dann wieder kleiner als
300 Hz, wird automatisch wieder auf 1 Sekunde Torzeit zurück-
geschaltet. Dieser Mechanismus ist optional und kann per Jumper (GANG)
gewählt werden.
Generell gilt für tatsächlichen Teilungsfaktor:1 Der Frequenzeingang ist Pin JP2 pin 1
2..255 Der Frequenzeingang ist für on-board Vorteiler JP4 pin 1, für
sonstigen Vorteiler dessen Eingang. Der Ausgang des on-borad
Vorteilers JP1.2 oder des sonstigen externen Vorteilers muß dann
mit JP2 pin 1 verbunden werden.Wird der on-board Vorteiler bei tragbaren Geräten nicht verwendet, sollte er entweder gleich nicht bestückt oder entfernt oder Pin 7 mit GND verbunden werden (nur bei Board Rev. 1 + 2). Dies spart einige mA Strom.
Für fx-Gnome Boards die nicht mit XILINX FPGAs bestückt sind, ist die Betriebsspannung auf maximal ca. 8 V (unstabilisiert) zu begrenzen, da diese mehr Strom brauchen und dadurch die Verlustleistung der integrierten Spannungsregler zu stark ansteigt.
(1)
Für fx-Gnome Boards Revision 1 gelten folgenden Einschränkungen:Mode 0: Es ist nur der Teilungsfaktor 1 und 2 möglich, da nur IN6 vorhanden.
Die Umschaltung des on-board Vorteilers muss per Drahtbrücken
erfolgen (defaultmäßig bereits eingestellt).
Mode 2: Es ist nur der Teilungsfaktor 1 und 2 möglich, da nur IN6 vorhanden.
Die Umschaltung des on-board Vorteilers muss per Drahtbrücken
erfolgen (defaultmäßig bereits eingestellt).
Mode 3: Der on-board Vorteiler kann als externer Teiler benutzt werden,
wobei der Teilerfaktor per Drahtbrücke eingestellt werden muss.
(1)+(2)
Für fx-Gnome Boards Revision 1 und 2 gelten folgenden Einschränkungen:AGS : Diese Funktion muß per Drahtbrücke direkt am AT89C4051ausgewählt
werden. Dazu Pin 8 mit Pin 10 (GND) verbinden.
Einstellmöglichkeiten
Zur universellen Nutzung stehen dem Anwender neben der generellen Einstellung von "statischen" Vorgaben durch das PC Setupprogramm Gnomesetup.exe , noch andere "dynamische" Einstellmöglichkeiten zur Verfügung. Diese können ohne Programmänderung einfach durch umlöten von Brücken oder durch Schalter bewerkstelligt werden.
TCXO Frequenz:
Es stehen derzeit 4 Frequenzen über Lötbrücken zur Auswahl.
11.3 Mhz,12.8 MHz,13.0 MHz und 14.85 MHz.
FS0,FS1,FS2
Torzeit:
Es kann zwischen 2(3) Torzeiten dynamisch gewählt werden. 1.s, und 0.1 s. (0.01s möglich aber Funktion nicht garantiert)
IN0,IN1
RX/TX Umschaltung:
Zur Rx/Tx-Umschaltung steht ein Eingang zur Verfügung.(T/R)
RXTX
Offsetauswahl:
Über 2 Anschlüsse können 4 unterschiedliche Offsetpaare ausgewählt werden.
IN2,IN3
Betriebsartauswahl:
Über 2 Anschlüsse können 4 unterschiedliche Betriebsarten für die Anzeige ausgewählt werden. CW,FM,LSB,USB
IN4,IN5
AGS (automatic Gate selection):
Über einen Anschluss kann diese Funktion ein oder ausgeschaltet werden.
Onboard Vorteiler Auswahl (betriebsartabhänig):
Über 2 Anschlüsse können 4 verschiedene Torzeiten gewählt werden.
/1 , /2 , /4 , /8PC-Setup Tool "Gnomesetup.exe"
Bei dem Setupprogramm handelt es sich um ein PC-Programm, dass das Software des Microcontrollers vor dessen Programmierung bearbeiten kann. Dazu muss die Software für das 8051 Derivat in binärere Form (also nicht als HEX-File) vorliegen. Abb.2 zeigt die Bedienoberfläche des Programms.
Abb2.: Gnome Setup PC Programm
Für jeden Anzeigesatz muss der Offset zur tatsächlichen Anzeige von Hand berechnet und entsprechende eingetragen werden. Zusätzlich kann man angeben ob der Offset zum Zählerwert addiert oder subtrahiert werden soll oder ob kein Offset verwendet werden soll (Zähler zeigt gemessene Frequenz direkt). Wird der Vorteiler benutzt, muss zusätzlich noch der Teilungsfaktor ingetragen und berücksichtigt werden.
Die Berechnungsformel ist dann also:
Offset = Anzeigefrequenz +/- ( Zählerfrequenz * Vorteilerfaktor) +/- X
Hier bedeutet X einen beliebigen Wert, der z.B. durch Ungenauigkeiten bei Local Oszillatoren(LO) zustande kommt und diesen ausgleicht.
Die dritte Zeile der LCD-Anzeige steht für einen beliebigen Text des Anwenders zur Verfügung. Dieser ist jedoch Bestandteil des Programms des AT89C4051 und kann nur durch Neuprogrammierung der 8051 Software verändert werden.
Nach dem Einstellen des Offsets wird das modifizierte Binärfile wieder zurückgeschrieben und steht zur Programmierung des Mikrocontrollers bereit.
Nachbau
Wie eingangs erwähnt, hat die kompakte Bauweise auch Nachteile. Normalerweise ist wohl das Auflöten des hier verwendeten FPGAs mit amateurmäßigen Mitteln kaum noch zu bewerkstelligen. Der Nachbau dürfte also so wenig Zuspruch finden. Aus diesem Grunde wurde zunächst auch auf eine detaillierte Bauanleitung verzichtet. Nachbauwillige können aber hier dennoch mit der Unterstützung des Autors rechnen. Je nach Interesse können die nötigen wichtigsten Komponenten inklusive der Platine mit programmiertem und ggf. aufgelötetem FPGA bereitgestellt oder wenigstens Bezugsquellen verfügbar gemacht werden.
Das PC-Programm ist neben anderen Hinweisen auf der Homepage des Verfassers [1] zu finden. Das Programm für den AT89C4051 ist ebenfalls in binärer Form dort verfügbar.
[1] DK7NT : http://www.qsl.net/dk7nt
[2] XILINX : http://www.xilinx.com/partinfo/databook.htm#cool
[3] ATMEL : http://www.atmel.com/atmel/products/
[4] MOTOROLA http://search.motorola.com/semiconductors/
[5] TCXOszillatoren ( ca. DM 15.-) von DB6NT http://www.db6nt.com.
[6] Conrad Electronic http://www.conrad.de
