Minimalistische bijsloffer
Stabiele oscillatoren vormen het hart van veel schakelingen. Voor de bouw van EZB/DZB zenders en ontvangers is een stabiele oscillator een eerste vereiste. Dit geldt ook voor apparatuur waarmee digi-mode (PSK31, MFSK, Olivia) signalen verwerkt moeten worden. De grootte van de korte-termijn stabiliteit zal 10 Hz of beter moeten zijn. Wanneer deze waarde groter wordt zal dit verschil voor het oor (en de decodeer software in PC’s en onze grijze cellen) duidelijk waarneembaar zijn en het coderen/decoderen van digimode signalen steeds moeilijker, zo niet onmogelijk, worden. Om vrijlopende VFO’s te stabiliseren bestaat er – al een kleine 30 jaar – een relatief eenvoudige schakeling: De “huff and puff stabilizer” (H&P stabilisator of in goed Hollands “bijsloffer” ) van Klaas Spaargaren PA0KSB.
Met een handjevol IC’s bleek het mogelijk een vrijlopende oscillator kristalstabiel te krijgen. Inmiddels bestaan er vele varianten op het oorspronkelijke ontwerp van de “bijsloffer”. Eén van de aardigste is wel een schakeling met slechts twee geïntegreerde schakelingen van het (snelle) IC type 74HC (Deze IC familie kan signalen tot zo’n 80 MHz aan).
Ik kwam de minimalistische stabilisatoren op het spoor via de Yahoo HuffPuffVFO-groep (URL onderaan in dit artikel vermeld) en kon het niet nalaten er wat experimenten mee te doen.
Achtergrond
Hoe maken we nu, op een zo eenvoudig manier, een goede stabiele oscillator. De klassieke ‘vrijlopende’ LC oscillators vallen af door de beperking als gevolg van het verlopen van de werkfrequentie. Daar waar SSB (single side band), CW (morse) en (de meeste) digimodes gebruikt worden is een stabiel signaal onontbeerlijk. Verlopen van de werkfrequentie vertaalt zich direct naar verandering van CW toon (klank) en in geval van SSB gebruik in stemvervorming. Natuurlijk kunnen we gebruik maken van PLL (Phase Locked Loop) of DDS (Discrete Digital Synthesizer) schakelingen. Beide principes zijn door-en-door beproefd en maken het mogelijk een kristalstabiel oscillator signal te genereren dat nauwkeurig en in kleine stapjes instelbaar is over een groot frequentiegebied. Een nadeel van schakelingen volgens deze principes is dat ze nogal gecompliceerd zijn. Verder wordt er nogal eens van specialistische (lees “dure”) IC’s gebruik gemaakt. Daarnaast is het uitgangssignaal van DDS oscillatoren niet zo “schoon”. Faseruis is er de oorzaak van dat er veel fluitjes en piepjes te horen zijn bij het afstemmen van een ontvanger voorzien van een oscillator die werkt volgens het DDS of (digitale) PLL principe. Een alternatief is de eenvoudig zelf te bouwen H&P stabilisator.
Conventionele H&P stabilisator
De H&P stabilisator mag in zendamateurkringen bekend verondersteld worden. Een typisch H&P schakeling maakt gebruik van een conventionele LC oscillator waarvan de uitgangsfrequentie in toom wordt gehouden door een handjevol TTL ic’s en een ‘canned’ (ingeblikt) kristal oscillatortje (die uiteindelijk de stabiliteit van de schakeling bepaalt en niet de LC oscillator). Een H&P schakeling doet eigenlijk niets anders dan iemand die op een frequentieteller kijkt en de oscillator bijstelt wanneer de teller aangeeft dat er sprake is van frequentiedrift. Naarmate de persoon de teller langer in de gaten houdt (equivalent met een grote integrator tijdconstante) zal de snelheid waarmee hij de frequentiecorrectie uitvoert afnemen. Belangrijk is om de mate van drift in de ongestabiliseerde LC schakeling te kennen en zeker te stellen dat de H&P regeling voldoende snel de drift kan corrigeren. Een H&P circuit regelt met een kleine afstemmingspanning via een integrator netwerkje met lange tijdconstante de frequentie van de LC oscillator bij en compenseert zo de drift over een periode die relatief lang is in vergelijking met de periode van het signaal uit de ‘canned’ (lees; ingeblikte) referentie oscillator.
De enige functie van een H&P schakeling is het compenseren van een (beperkte) frequentie instabiliteit (‘drift’). Het toevoegen van een H&P circuit aan een slecht ontworpen/gebouwde oscillator die geen ‘schoon’ uitgangssignaal levert (overdaad aan harmonischen en/of faseruis) zal geen verbetering brengen in de kwaliteit van het uitgangssignaal; De H&P stabilisator zal de “spurious” signalen uit een slechte oscillator niet wegnemen. “Spurious” wordt vnl. veroorzaakt door afwijkingen van de perfekte sinusvorm van het uitgangssignaal. Faseruis is gerelateerd aan (thermische) ruis opgewekt in het actieve element in de oscillator en de “zero-crossing point ‘ vervorming van het oscillatorsignaal.
De minimalistische variant
Een conventionele H&P stabilisator bestaat uit minimaal 4 IC’s en een handjevol andere componenten. Dat het simpeler kan bewijst een variant uit 1998 van Peter Lawton, G7IXH. De schakeling is later verder vereenvoudigd door Hans Summers, G0UPL.
Het hart van deze minimalistische variant zoals in fig. 1 is afgebeeld, wordt gevormd door een 8-bits schuifregister 74HC164 waarachter een XOR schakeling geknoopt is. Het schuifregister zorgt voor twee pulstreinen afkomstig uit de 60MHz “canned” oscillator: Een actuele en eentje van 7 klokpulsen geleden. De klokpulsen zijn een directe afgeleide van het VFO signaal. Door nu de actuele en “oude” pulstrein in een XOR poort (de 4 diodes) te combineren en te integreren (de transistor en twee elko’s) ontstaat een regelspanning die teruggekoppeld kan worden naar de (varicap van de) VFO. We hebben hier te maken met een relatief snelle stabilisatieloop, o.m. als gevolg van de toepassing van de hoge frequentie van de gebruikte X-tal oscillator (60 MHz). In de oorspronkelijke ontwerpen wordt de schakeling dan ook als “ fast H&P stabiliser” aangeduid (in tegenstelling tot het oorspronkelijk “trage” H&P ontwerp).
Het circuit zorgt ervoor dat de VFO frequentie stabiliseert op discrete frequenties met een vaste tussenliggende waarde (meestal stapgrootte S genoemd). Deze stapgrootte kan als volgt bepaald worden:
S = (Fvfo )2 / (z.M.Fxtal)
S = stapgrootte in Hz
Fvfo = VFO frequentie in Hz
z = aantal trappen schuifregister (voor de 74HC164 maximaal 7)
M = 2n met n aantal “deel door 2” stappen van VFO deler 74HC4040. Hier 212 = 4096
Fxtal = referentie frequentie in Hz
Zo wordt voor bijvoorbeeld een 5 MHz VFO de stapgrootte van de schakeling:
S = ((5.106 )2)/(7.212.60.106)= 14,5 Hz
De stapgrootte zal kleiner worden door een groter schuifregister te kiezen. Zo kan er achter het eerste schuifregister een tweede 74HC164 geplaatst worden. De stapgrootte kan ook verkleind worden door M groter te kiezen. In de praktijk betekent dit een extra deler opnemen voor de 74HC4040 (bijvoorbeeld een 74HC4017 met een deeltal tussen 2 en 10). Er is gekozen voor een “canned” oscillator, omdat zelfbouw van een 60MHz oscillator met losse componenten nogal lastig is (hiervoor moet je een 3e overtone X-tal oscillator bouwen). De regelspanning dient via een relatief grote weerstand (100…470 kΩ) aan de varicap van de VFO aangeboden te worden (deze weerstand is niet in fig.1 afgebeeld). Voor de transistor kan overigens een ordinaire BC549C gebruikt worden. Met de skoop moet op punt 1 van de 74HC4040 een 4..5 Vtt signaal te zien zijn. Pin 3 en 13 moeten een pulstrein laten zien met ongeveer eenzelfde amplitude. Er kan een eenvoudige voorversterker (BF199, BC547) nodig zijn omdat niet alle VFO’s een uitgangsignaal op het juiste niveau leveren (Zie fig. 2 voor een mogelijke voorversterker).
Oscillator aan boord
Dat de koek met twee ICs nog niet op is bewijst het schema in figuur 3. Door de 74HC4040 te vervangen door een 74HC4060 kan er een vrijlopende LC oscillator aan de schakeling worden toegevoegd. Het spoeltje met ferrietkern heeft een diameter van ongeveer 0,5 cm en is bewikkeld met 13 windingen. Het oorspronkelijke ontwerp gaat uit van 15 windingen op een T50-2 kern. De condensatortjes rond het spoeltje zijn, in afwijking van het originele schema, 330p geworden om het zaakje aan het oscilleren te krijgen tussen ongeveer 12,1 en 12,4 MHz. Een standaard 5 mm rode LED D1 is als varicap gebruikt (misschien voor velen een verrassing, maar je kunt (rode) LEDs – en trouwens ook zenerdiodes – prima gebruiken als (goedkope) varicaps. Zorg wel dat de anode van de LED aan massa ligt ! ). De variatie in capaciteit is voldoende om de VFO over enige honderden KHz in te stellen. Met de potmeter is de oscillatorfrequentie grof in te stellen. De schakeling gaat, na het instellen met de potmeter, op zoek naar de dichtstbijzijnde “lock” frequentie en blijft daar (in het ideale geval) oscilleren. De stapgrootte tussen de “lock” frequenties zal ongeveer S = ((12,2.106 )2)/(7.212.60.106)= 86,5 Hz bedragen.
Het uitgangssignaal kan het best van pin 9 van de 74HC4060 afgenomen worden (gebufferde uitgang) en niet zoals in het oorspronkelijke schema getoond van pin 10. De VFO frequentie werd dan te sterk beïnvloed wanneer de belasting veranderde. De waarden van R3, C4 en C5 in deze schakeling zijn erg kritisch. Ook zijn de ontkoppel C’s erg belangrijk. Er zal geëxperimenteerd moeten worden om de schakeling stabiel te krijgen.
De figuren 4 en 5 laten de schakeling – zoals ik die op veroboard heb opgebouwd – zien. De groene LED is voor de “PWR aan” indicatie. De rode is de “varicap”. De 4 diodes van het EXOR circuit zijn aan de koperzijde van het veroboard gesoldeerd en hier niet zichtbaar.
Fig. 6 laat zien wat er gebeurt wanneer door een externe factor (mijn hand nadert de LC-kring van de VFO) de werkfrequentie van de VFO wordt beinvloed. Na het weghalen van de hand ‘lockt’ de VFO op een nieuwe frequentie.
Tot slot
Schakelingen volgens het KISS (“Keep It Simple Stupid”) principe werken vaak niet direct. Beide getoonde schakelingen zijn nogal kritisch en zullen waarschijnlijk niet gelijk naar behoren functioneren. Zo is een schone 5VDC voeding een absolute vereiste. Beide schakelingen dienen met een eigen spanningsstabilisator 7805 gevoed te worden. Kies de elko’s niet te klein (1000 μF … 2200 μF lijkt hier voldoende). Bezuinig hier niet op. Voor de eerste schakeling is er soms een eenvoudige (1-transistors) voorversterker nodig omdat niet alle VFO’s een uitgangsignaal op het juiste niveau leveren. Hier kan wat experimenteren nodig zijn.
De waarden van componenten van de integrator in de tweede schakeling zijn erg kritisch. Ook hier is een dosis “trial and error” nodig om de schakeling stabiel te krijgen.
Succes met de knutsel en veel experimenteer plezier !
Bronnen
http://groups.yahoo.com/group/HuffPuffVFO/
http://www.hanssummers.com/radio/huffpuff/index.htm
http://br.geocities.com/py2ohh/trx/huffpuff2/huffpuff2.htm
Electron, mei 2004, ‘VFO-stabilisator toegepast’ door F. Geerligs
Eén gedachte over “Minimalistische bijsloffer”
Reacties zijn gesloten.