VFO a sintesi DDS per HF

VFO a sintesi DDS per HF
Il Progetto in due parole
Si tratta di un VFO che utilizza il sintetizzatore DDS AD7008 della Analog Device controllato da
un microprocessore ST62T25 della Thomson.
E’ progettato per lavorare in apparati a singola conversione con IF a 9 Mhz, la scelta dei
componenti e la tecnologia adottata ne fanno a mio avviso un dispositivo al passo con i tempi e in
grado di reggere il confronto con i sintetizzatori usati in apparati commerciali di corrente produzione,
anche se il costo del DDS e dell’encoder ottico incidono in modo non trascurabile sull’impegno della
realizzazione.
Per la messa a punto si richiede almeno l’impiego di un frequenzimetro e di una sonda RF.
Come è fatto
Il VFO si compone di tre circuiti stampati monofaccia 100x70 mm. I due stampati del DDS e del PLL
vengono montati sovrapposti dentro un minibox in allluminio di appropriate dimensioni, mentre il VCO trova
alloggiamento in un contenitore separato, possibilmente in lamierino stagnato.
I collegamenti relativi alle linee di alimentazione e digitali vengono effettuati tramite dei connettori a striscia con
passo 2.5 mm, mentre per le linee di segnale (RF e tensione di controllo del VCO) vengono impiegate delle
normali prese RCA.
Come funziona
Il generatore DDS viene utilizzato come riferimento di frequenza per un circuito PLL di tipo
convenzionale. Quest’ultimo è realizzato con un integrato CMOS 4046 che confronta la frequenza del VCO divisa
per 64 con il riferimento fornito dal DDS e rimette in passo il VCO stesso. L’escursione di frequenza richiesta al
DDS va da 168750 a 609375 Hz, e la corrispondente escursione di frequenza del VCO va da 10.8 a 39 Mhz.
La Sintesi di Frequenza DDS
Un approccio assai semplice ed intuitivo alla tecnica di sintesi DDS (Direct Digital Sinthesys) può essere il
seguente. Immaginiamo di voler disegnare per punti una sinusoide su di un foglio di carta. Il modo più semplice di
procedere consiste nel dividere il periodo della sinusoide (2Π) in N parti uguali. Ogni intervallo così ottenuto (∆
∆)
corrisponde ad un incremento di fase pari a 2Π / N e il corrispondente valore di ampiezza si ottiene applicando la
nota formula V=sin Φ , dove Φ = Σ degli intervalli ∆.
V
1
0.94
0.707
0.38
5/4Π
∆
0
Π/4
Π/2
∆ = 2Π / Ν
Φ=Σ∆
V = sin (Φ) = sin (Σ ∆)
3/4Π
Π
3/2Π
7/4Π
2Π
Φ
Il sintetizzatore DDS è un microprocessore dedicato che applica proprio questo metodo di calcolo. L’incremento di
fase ∆ viene impostato dal microprocessore esterno di controllo tramite un ingresso seriale, e viene memorizzato
in un registro chiamato Phase Accumulator che si incrementa di questo valore ad ogni ciclo di clock. Poichè la
capacità di questo registro è di 32 bit, il valore di fase viene espresso sotto forma di un numero intero che può
variare nel range 0 - 232 (corrispondente all’intervallo 0 – 2Π). Il valore di ampiezza corrispondente viene ricavato
da una tabella residente in ROM in modo da velocizzare il processo di calcolo, e infine un convertitore DAC
provvede a trasformare il valore numerico ottenuto in segnale analogico.
Da quanto esposto si può anche ricavare la relazione esistente fra l’incremento di fase ∆ (in scala numerica 0 232) e la frequenza generata dal DDS. Il periodo e la frequenza della sinusoide saranno infatti :
T = Tclock x ( 232 / ∆ ) ==> F = ( ∆ x Fclock ) / 232
E’ interessante notare come, adottando una Frequenza di clock di 50 MHz, la massima risoluzione ottenibile con
un incremento unitario di ∆ risulterà pari a 50 MHz / 232 = 0.01 Hz.
Il DDS AD7008 dispone poi di alcune funzionalità aggiuntive :
- può memorizzare due valori di frequenza commutabili tramite il pin FSELECT, ciò può essere utile per gestire
la funzione di split
- può generare vari tipi di modulazione (frequenza, ampiezza e SSB con il metodo dello sfasamento)
controllando i valori istantanei di fase ed ampiezza tramite appositi registri (PHASE REG, IQMOD). Per
realizzare questa funzione è però necessario effettuare un trattamento numerico preliminare del segnale
modulante utilizzando tecniche DSP.
Chi fosse interessato ad approfondire l’argomento, il che va oltre lo scopo di questa breve introduzione, può
reperire le informazioni necessarie nel Data Sheet del dispositivo (v.bibliografia).
2
Il Software di Gestione
Per controllare il funzionamento del DDS è necessario ricorrere ad un microprocessore. Io ho utilizzato un
ST62T25 della Thomson e ho sviluppato un software specifico per questo dispositivo.
Le funzioni disponibili con l’atttuale release di software sono :
-
-
Controllo della frequenza mediante encoder ottico rotativo a due canali. Il valore di frequenza impostato
all’accensione è di 14 Mhz.
Possibilità di selezionare lo step di avanzamento fra 3 valori possibili (10 Hz, 1 Khz e 100 Khz)
mediante due pulsanti (up/down). Lo step proposto all’accensione è 1 Khz e consente un rapido
posizionamento all’interno della banda, il valore 10 Hz è quello normalmente utilizzato (2.5 Khz per giro con
l’encoder a 256 livelli) mentre lo step 100 Khz serve per cambiare rapidamente gamma.
Presentazione dei valori di frequenza e step su display LCD 2x16
Indicazione della gamma operativa mediante codifica digitale su 4 bit. In tal modo si possono controllare in
modo automatico dispositivi esterni quali filtri di banda, modo operativo, etc..
La codifica è riportata nella seguente tabella
Fino a 3 Mhz
Da 3 a 6 Mhz
Da 6 a 9 Mhz
Da 9 a 12 Mhz
Da 12 a 17 Mhz
Da 17 a 20 Mhz
Da 20 a 23 Mhz
Da 23 a 27 Mhz
Da 27 a 29 Mhz
Oltre 29 Mhz
Bit3
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
Bit2
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
Bit1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
Bit0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Alcune porte del microprocessore non sono attualmente utilizzate, ho previsto infatti un successivo release di
software per gestire, tramite un menu di scelta funzioni :
-
Il funzionamento in RIT e XIT
L’inserimento e il recupero di più frequenze operative mediante memoria seriale esterna (ST93C66)
Il circuito elettrico nasce già predisposto per queste implementazioni, che comporteranno quindi la sola
sostituzione (o riprogrammazione) del microprocessore.
Posso fornire l’attuale release di software (in formato sorgente ed eseguibile) su floppy disk o tramite E-mail a chi
fosse interessato. Chi volesse il microprocessore già programmato può contattarmi per definire le modalità.
NB. Il programma prevede un valore di IF di 9 Mhz, altri valori prossimi a questo possono essere gestiti ma
richiedono qualche semplice modifica al software.
3
Il Modulo VCO
Passiamo ora alla descrizione dei singoli moduli componenti il VFO cominciando dal modulo VCO.
2N2222
2N2222
680Ω
1N4148
1.2KΩ
47nF
1.2KΩ
47nF
680Ω
1N4148
+10
820Ω
56KΩ
15pF
BF324
6.8pF
82KΩ
BB112
BF324
10KΩ
BF245
330pF
BF245
10KΩ
100KΩ
330pF
82KΩ
5.6pF
band select
4.7KΩ
BB112
100KΩ
5.6pF
1nF
12pF
BC107
+13.5
820Ω
56KΩ
15pF
68Ω
1N4148
330Ω
4.7KΩ
1N4148
330Ω
L1
L1
From PLL
From PLL
82pF
82pF
2.2pF
1nF
10 V
560Ω
13.5 V
7810
47nF
100KΩ
100KΩ
100KΩ
2N2222
2N2222
2N2222
1nF
1nF
1nF
470Ω
Out PLL
(3Vpp)
Out RX
(3Vpp)
470Ω
470Ω
100nF
47µF
Out TX
(300mVpp)
5.6pF
Questo modulo contiene due oscillatori commutati elettronicamente, la circuiteria di comutazione e i tre buffers di
uscita. Data l’ampia gamma di frequenza coperta (da 10.8 a 39 Mhz) si è reso necessario utilizzare due oscillatori
separati e diodi varicap ad alta capacità (BB112, MVAM115). Per la commutazione di gamma si può sfruttare
l’uscita digitale prevista sul modulo DDS (v.oltre).
Sono previste due uscite ad alto livello (circa 3 V pp) per alimentare il divisore del PLL e il mixer del ricevitore
(mosfet) ed una uscita a basso livello (circa 300 mV) per il mixer del TX (MC1496).
Le due bobine sono realizzate con filo di rame smaltato da 0.5 mm avvolto su supporto plastico da 5 mm con
nucleo in ferrite. Per L1 si avvolgeranno 16 spire e per L2 9 spire.
Per la taratura si dovranno collegare i due ingressi di controllo (from PLL) ad una tensione variabile da 1 a 10
volts, verificando la copertura (da 10 a 22 Mhz con L1, da 20 a 40 Mhz con L2) e l’ampiezza del segnale. E’
opportuno effettuare il collegamento al modulo PLL con cavetto schermato RG174 sia per il segnale RF che per la
tensione di controllo.
4
Il Modulo PLL
7805
47 nF
470 µF
10Ω − 1w
47
nF
Out VCO
4.7KΩ
270Ω
10KΩ
10 nF
22KΩ
13.5 V
100Ω
10KΩ
4.7 µF
LM358
5.6KΩ
4.7 nF
390Ω
47 nF
1 nF
47 µF
12 V
4.7 µF
2.2KΩ
47 nF
1N4148
1 nF
56KΩ
in DDS
390Ω
4046
in VCO
LED
74HC393
470pF
6.8KΩ
100 nF
2N2222
1N4148
330Ω
10KΩ
6.8KΩ
BC107
100 nF
Questo modulo contiene il divisore HCMOS per 64, il CMOS 4046, un operazionale LM358 con la funzione di
traslatore di livello della tensione di controllo VCO (da 5 a 10 V) ed il loop filter. Contiene anche il regolatore 7805
che, dopo aver sistemato la basetta nella sua sede (sotto il modulo DDS), dovrà essere fissato ad una parete
metallica del contenitore per dissipare adeguatamente il calore.
L’anello ottenuto è stabile e aggancia velocemente, grazie anche all’elevato valore della frequenza comparata.
Particolare cura è stata dedicata alla stabilizzazione della tensione di alimentazione, questo è importante poiché le
piccole variazioni che si possono originare nei picchi di modulazione del TX verrebbero altrimenti trasferite dal
4046 sulla tensione di controllo del VCO producendo modulazione di frequenza.
Il modulo non dovrebbe richiedere operazioni di taratura, sarà comunque opportuno verificare che la
tensione sul piedino 1 del 74HC393 sia di circa 2 V in assenza di segnale. Tenete presente che per un corretto
funzionamento il livello minimo del segnale in ingresso deve essere di 2 V pp. E’ previsto un indicatore di lock (il
led acceso indica corretto funzionamento).
Il modulo PLL, come già detto, trova posto sotto il modulo DDS nello stesso contenitore metallico.
5
Il Modulo DDS
47Ω
out
+5V
22pF
1nF
390Ω
8MHz
1µF
+ 5V
22pF
100nF
10KΩ
100nF
+5V
ST62T25
39
2.2KΩ
AD7008JP50
Load
TC3
TC2
TC1
TC0
Fselect
15
Bands
1
10KΩ
Step down
Step up
14
Lcd MSB
10µF
40
Lcd LSB
1
Lcd RS
Lcd enab
6
7
Sdata
Sclk
+5V
28
+5V
18
28
29
Bit0
Bit1
Bit2
Bit3
17
+5V
Encoder A
Encoder B
+5V
8
14
7
Oscillatore
50 MHz
To VCO
band select
Questo modulo contiene l’unità DDS AD7008JP50 e il microprocessore ST62T25 (oppure ST62E25 che è
riprogrammabile ma costa il triplo). Su questo modulo non c’è molto da dire, dato che la parte elettrica si limita a
pochissimi componenti. Particolare attenzione va posta nella realizzazione dello stampato e nell’esecuzione delle
saldature per via dell’elevato numero di piste sottili intorno allo zoccolo del DDS. Due connettori a striscia con
passo 2,5 mm facilitano la connessione verso i dispositivi esterni (LCD, encoder, etc.).
Se utilizzate un minibox in alluminio di dimensioni standard 105 x 75 x 42 mm, dovrete praticare uno scanso nel
PCB del DDS per fare posto alla vite di fissaggio del 7805 collocato sulla basetta inferiore, utilizzando invece un
contenitore più grande il problema non si pone, lo stampato prevede lo spazio per compiere questa operazione.
L’uscita BCD relativa alla gamma operativa dovrà essere decodificata per pilotare eventuali circuiti di
commutazione esterna. Io ho previsto una basetta esterna (non descritta in questo articolo) per gestire tutte le
commutazioni utilizzando un operazionale TL084 come traslatore di livello da 5 a 12 V e una decodifica CMOS
4028 BCD to DECIMAL. Nello schema è indicata una semplice soluzione per pilotare mediante due diodi la sola
commutazione di banda del VCO.
Il pin 1 del connettore principale (FSELECT) è predisposto per gestire le funzioni di SPLIT, come ho detto nel
paragrafo relativo al software, e per il momento deve essere collegato a massa. Alcuni altri pin, non collegati,
serviranno per gestire il dispositivo di memoria esterna.
6
Dispositivi Accessori
Qualche parola va spesa per il display LCD e per l’encoder ottico. Per il primo suggerisco di realizzare una
schedina di interfaccia di cui fornisco solo lo schema elettrico, anche perchè le connessioni fisiche dipendono dal
tipo di connettore presente sul modulo LCD. Questa schedina andrà collegata con una piattina a sei fili al modulo
DDS. Vale la pena di inserire sulla schedina anche un piccolo regolatore 78L05 in modo da svincolarla
completamente dalla sorgente di alimentazione. Riporto lo schema dei collegamenti più usuali per i moduli LCD,
anche se non è raro trovare dei display con collegamenti leggermente diversi, quindi fate molta attenzione e, in
caso di dubbi, provate a consultare i riferimenti bibliografici.
78L05
13.5V
1
M
O
D
U
L
O
Vss
GND
Vdd
10KΩ
Vcntrl
RS
R/W
Enable
DB0
DB1
RS
Enable
DB2
L
C
D
DB3
LSB
DB4
DB5
DB6
MSB
DB7
14
Per quanto riguarda l’encoder ottico, mi limiterò a pochi cenni essendo questo argomento già stato trattato su
queste pagine (v.bibliografia). Basti dire che questo dispositivo fornisce sui canali di uscita due onde quadre
sfasate di 900. Lo sfasamento è in anticipo o in ritardo a seconda del verso di rotazione dell’alberino. Il tutto è
illustrato dal diagramma allegato
Canale A
Canale B - Rotaz. oraria
Canale B - Rotaz. antioraria
Testando il livello logico del canale B in corrispondenza di una transizione di livello del canale A si può ricavare
l’informazione sul verso di rotazione, mentre il numero di transizioni individua l’entità della rotazione. Il
collegamento col modulo DDS viene effettuato con un bus a 4 fili che porta anche la linea di massa e quella di
alimentazione a 5 V.
7
Gli Schemi di montaggio
Il modulo VCO (dimensioni reali 97x67 mm)
47nF
680Ω
15pF
820Ω
BB112
1N4148
82KΩ
from
PLL
BF324
2N2222
2N2222
5.6pF
6.8pF
100KΩ
1N4148
100nF
RLY 12V
+
BC107
100KΩ
82pF
68Ω
band
select
10KΩ
L2
1N4148
560Ω
13.5V
10KΩ
470Ω
5.6pF 2N2222
47nF
100KΩ
2.2pF
470Ω
100KΩ
82pF
1nF
out TX
2N2222
1nF
1nF
470Ω
out PLL
out RX
Il modulo PLL (dimensioni reali 97x67 mm)
47nF
470µF
100nF
7805
47nF
out 5V
in
13.5V
+
47µF
74HC393
+
10Ω 1W
330Ω
22KΩ
in VCO
2.2KΩ
100Ω
LM358
4046
4.7KΩ
2N2222
56KΩ
12V
47nF
270Ω
10nF
out VCO
5.6KΩ
+
4.7µF
470pF
47nF
390Ω
10KΩ
+
100nF
4.7µF 1nF
10KΩ
1nF
10KΩ
1N4148
6.8KΩ
in DDS
390Ω
1N4148
1nF
from
PLL
330Ω
12pF
100KΩ
L1
82KΩ
BF245
330pF
5.6pF
330Ω
4.7KΩ
1N4148
BF324
BF245
330pF
1nF
680Ω
56KΩ 1.2KΩ
820Ω
BB112
47µF
47nF
47nF
1.2KΩ 56KΩ
15pF
4.7KΩ
7810
47nF
4.7nF
LED
6.8KΩ
100nF
8
BC107
Il modulo DDS (dimensioni reali 97x67 mm)
47 nF
47 nF
100 nF
1 nF
47 Ω
10 µF
+
+5V
22pF
8 MHz
390Ω
2.2KΩ
AD7008
+ 1 µF
10KΩ
10KΩ
22pF
ST62T25
Oscillatore
50 MHz
Per concludere
Per quanto riguarda la reperibilità dei componenti, mi risulta che il DDS AD7008 sia distribuito da ADB Elettronica,
mentre l’encoder è reperibile presso Nuova Elettronica. Ho visto degli encoders ottici anche presso alcune mostre
mercato del settore, sono privi di datasheet ma costano poche migliaia di lire e potrebbe valere la pena di tentare
di individuare sperimentalmente i collegamenti; se qualcuno avesse informazioni in proposito mi farebbe cosa
gradita inviandomi lo schema dei collegamenti. Gli altri componenti non dovrebbero presentare problemi di
reperibilità, compreso il ST62T25 che si può trovare da Marcucci o da Futura Elettronica. Per quanto riguarda gli
stampati, posso fornire i files con i relativi master nel formato CIRCAD (v. bibliografia) a chi fosse interessato.
Nel complesso direi che la realizzazione non presenta particolari difficoltà, anche se comporta un qualche
impegno economico. Nel mio caso ha rappresentato un salto di qualità nella realizzazione di apparati home made,
e spero che altrettanto potranno dire quanti volessero cimentarsi nella costruzione. Da parte mia offro piena
disponibilità per fornire informazioni e supporto a coloro che vorranno contattarmi via telefonica o E-mail.
Bibliografia
Articoli vari :
Weekend DigiVFO, QST May 1995, pag.30
Weekend DigiBrain, QST March 1996, pag. 32
The Ultimate VFO, QEX April 1996, pag. 13
Direct Digital Synthesis, ARRL Handbook 1994, pag. 10-17
IC761: una semplice modifica facilita la sintonia, di IK2RND, R.R. 7/1997, pag. 43 (Encoder Ottico)
Siti Internet di interesse :
Analog Device :
http://www.analog.com/
CIRCAD :
http://www.holophase.com/
sui moduli LCD :
http://www.eio.com/lcdintro.htm#data
Info su Componenti : http://www2.arnes.si/~uljfer3/elect/index.html
9