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 mm
Aus 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 , /8
PC-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