nanoDDS

Na rynku istnieje bardzo wiele projektów generatorów opartych na chipach DDS, jednak są to zwykle skomplikowane konstrukcje.
Ja potrzebowałem czegoś innego. Potrzebowałem prosty, uniwersalny i tani generator, który będzie można użyć w amatorskich konstrukcjach transceiverów jak Antek, Bartek, Taurus, czy wiele innych.

IMG_9422
Przede wszystkim chciałem go zastosować do projektów, które powstały wcześniej, ale ze względu na niestabilne VFO stały i się kurzyły.
Dlatego opracowałem moduł nanoDDS który jest uniwersalnym generatorem VFO o następujących cechach:

– miniaturowe wymiary (cały moduł ma wymiary ok. 3x3cm) dzięki czemu zmieści się do większości urządzeń

– brak wyświetlacza, ponieważ wiele istniejących urządzeń posiada już zamontowany odczyt częstotliwości

– ultra-prosty montaż mechaniczny – wystarczy przykręcić enkoder do płyty czołowej za pomocą jednej nakrętki

– prosta obsługa za pomocą enkodera obrotowego z przyciskiem

– dioda LED sygnalizująca aktualny krok

– dwa kroki przestrajania (500Hz i 50Hz)

– szeroki zakres napięć zasilających (5-15V)

– niewielki pobór prądu (ok. 20mA)

– częstotliwość generatora do 10MHz, co jest wystarczające do większości transceiverów QRP

– kod źródłowy napisany pod Arduino, przez co można go ławo zmodyfikować

– złącze ISP do programowania

IMG_9461

nanoDDS oparty jest na generatorze Analog Devices AD9833. Jest to układ bezpośredniej syntezy częstotliwości taktowany z generatora zegarowego 24MHz, co według producenta powinno umożliwić generowanie przebiegów do ok. 12MHz. W praktyce do 10MHz sygnał jest prawidłowy. Sterowanie syntezerem AD9833 realizowane jest za pośrednictwem magistrali SPI poprzez procesor ATMEGA328P.

Komunikacja z enkoderem zrealizowana jest za pomocą przerwań, dzięki czemu reakcja na przestrajanie jest pewna, nie występuje efekt gubienia kroków, nawet przy zastosowaniu prostego enkodera mechanicznego.

Na wyjściu generatora został zastosowany filtr dolnoprzepustowy zestrojony na częstotliwość ok. 10MHz. Układ AD9833 wytwarza przebieg w sposób cyfrowy, dlatego w jego widmie znajduje się wiele niepożądanych prążków. Aby uzyskać czystą sinusoidę, w układach tego typu konieczne jest stosowanie filtrów dolnoprzepustowych, które mają za zadanie odfiltrować wszelkie harmoniczne i inne prążki powyżej częstotliwości granicznej.

IMG_9419

W układzie zastosowałem prosty filtr dolnoprzepustowy wykonany na dławikach SMD. Filtr jest zestrojony na ok. 10MHz. Jednak ze względu min. na parametry dławików SMD takie rozwiązanie może nie być wystarczające w każdym przypadku. Np. jeśli generator miałby być używany na częstotliwości 3,5MHz (np. w TRX homodynowym na pasmo 80m), to druga i trzecia harmoniczna „przedostaną się” przez wbudowany filtr. W takim przypadku warto zastosować dodatkowy filtr dolnoprzepustowy zestrojony nieco powyżej 3,5MHz. Oczywiście w wielu zastosowaniach sygnał uzyskiwany wprost z generatora będzie miał czystość widmową wystarczającą do zastosowania go jako VFO, jednak warto pamiętać o możliwości wystąpienia niepożądanych prążków w widmie sygnału.

Obsługa nanoDDS’a jest bardzo prosta. Po włączeniu zasilania generator wytwarza częstotliwość, która była ostatnio używana. Obracanie enkoderem skutkuje zmianą częstotliwości z początkowym krokiem 500Hz. Krok ten jest bardzo wygodny przy dostrajaniu się do stacji pracujących emisją SSB, gdyż większość stacji amatorskich pracuje właśnie z rastrem 1kHz lub 0,5kHz. Po naciśnięciu gałki enkodera krok przełączany jest na 50Hz, co umożliwia dokładniejsze dostrojenie. Ponowne naciśnięcie przycisku powoduje powrót do kroku 500Hz oraz zaokrąglenie generowanej częstotliwości do 500Hz, żeby przestrajanie było zgodne z rastrem. Np. jeśli używając kroku 50Hz ustawimy częstotliwość 3.705.150 po przełączeniu kroku na 500Hz częstotliwość zostanie zaokrąglona do wartości 3.705.000. Dalsze przestrajanie odbywa się z krokiem 500Hz.

Dłuższe przytrzymanie naciśniętej gałki enkodera powoduje powrót do częstotliwości początkowej.

Parametry pracy generatora ustawiamy programowo w kodzie programu napisanego pod Arduino. Możemy zdefiniować: częstotliwość początku i końca pasma, częstotliwość początkową, krok początkowy oraz uwzględnić częstotliwość pośredniej częstotliwości odbiornika i ewentualną korektę częstotliwości

Po skompilowaniu kodu programu należy go wgrać do generatora za pomocą programatora ISP, który jest zapewne w posiadaniu wielu konstruktorów. Alternatywnie można użyć płytki Arduino jako programatora.

Montaż w transceiverze jest uproszczony do minimum i polega na przykręceniu enkodera do płyty czołowej, podłączeniu zasilania (5-15V) oraz sygnału wyjściowego z generatora.

W wyniku prac rozwojowych dodałem możliwość podłączenia wyświetlacza LED do układu. Więcej na ten temat w wątku nanoDDS z wyświetlaczem

Oprogramowanie wewnętrzne nanoDDS można pobrać tutaj nanodds_v19_display.zip

nanoDDS z wyświetlaczem

Okazuje się, że złącze ISP, które normalnie służy do podłączenia programatora, można również użyć do podłączenia wyświetlacza. Użyłem gotowego modułu wyświetlacza LED na sterowniku TM1637. Teraz nanoDDS można użyć również do modernizacji TRXów, które nie posiadają cyfrowego odczytu częstotliwości. Co prawda są tylko 4 cyfry, ale za to wyświetlacz jest bardzo mały (24x42mm).

Wkrótce zamieszczę więcej informacji o nanoDDS wraz z oprogramowaniem.

IMG_1913

Robot podążający za linią (Line follower)

Robot powstał na konkretne zamówienie, ale okazało się, że jest świetną zabawką dla mojego syna :). Jego pomysły na wykorzystanie robota do zabawy wyprzedzają przewidywania konstrukcyjne 🙂 Jeden z pomysłów to odwrócenie robota „do góry nogami” i sterowanie nim poprzez świecenie latarką w czujniki.

Konstrukcja całkowicie analogowa, żadnych procesorów ;). Dwa czujniki odbiciowe, silniki, akumulator, układ ładowania. Układ jest prosty, przejrzysty i niezawodny; ale takie było założenie. Inne założenie było takie, że robot ma się poruszać powoli, dlatego możliwe było wykonanie go w bardzo prosty sposób. Chociaż kusi mnie, żeby wykonać kolejną wersję z użyciem jakiegoś procesora – ile by było łatwiej 🙂

IMG_1794

IMG_1822

IMG_1824

IMG_1821

IMG_1797

IMG_1796

Antena EFHW w terenie

Dzisiaj krótka wyprawa do lasu, antena EFHW rozwieszona skośnie na drzewie. Nie było czasu na łączności, zrobiłem kilka nasłuchów. Słyszałem min. Davida M0DAD, który podobnie jak ja lubi pracę portable na KF. Nadawał na 14,210MHz SSB ze stacji przenośnej. Na stronie qrz.com można znaleźć więcej informacji o sprzęcie na jakim pracuje.

IMG_1763.jpg

IMG_1764.jpg

IMG_1771.jpg

Terenowa antena wielopasmowa QRP na pasma 7-28MHz (lub 3,5-28MHz)

Jednym z moich ulubionych zajęć krótkofalarskich jest praca terenowa na falach krótkich z małą mocą (QRP). Na „wyprawy terenowe” wybieram się zwykle pieszo lub rowerem dlatego potrzebowałem antenę, która byłaby:

  • lekka (cała antena wraz z odciągami i układem dopasowującym waży ok. 300g),
  • po złożeniu zajmowała niewiele miejsca w plecaku,
  • da się łatwo zainstalować w ciągu maksymalnie kilkunastu minut przy użyciu tylko jednego wysokiego punktu (np. wysokie drzewo, lub lekki maszt) i bez pomocy drugiej osoby,
  • będzie pracowała na kilku pasmach (najbardziej zależało mi na 7 i 14 MHz),
  • będzie odporna na zmianę warunków zawieszenia, innymi słowy nie będzie wymagała strojenia przy każdym użyciu,
  • będzie skuteczna w łącznościach krajowych i europejskich przy niewielkiej mocy nadajnika (<5W).

Wszystkie te założenia spełniła antena typu EFHW (End Fed Half Wave) czyli dipol półfalowy zasilany na końcu.

Antena EFHW zwinięta

Antena taka to po prostu promiennik wykonany z drutu o długości równej połowie długości fali (λ/2). Np. dla pasma 7MHz (40m) potrzebny jest promiennik o długości ok. 20 metrów. Gdybyśmy taki promiennik zasilili na środku długości, to powstałby klasyczny dipol powszechnie używany przez krótkofalowców (i nie tylko). Jednak taki dipol wymaga dwóch punktów zawieszenia, czasami długiego kabla zasilającego i pracuje tylko na jednym paśmie. Dlatego postanowiłem zasilać promiennik na jednym z końców. Dzięki temu możliwe stało się rozwieszenie anteny jako „skośny promień” którego jeden koniec przymocowany jest np. do wysokiego drzewa, natomiast drugi koniec za pomocą kawałka odciągu przymocowany jest do punku na poziomie gruntu. Taką antenę można rozwiesić w ciągu kilku minut. Robię to w ten sposób, że do kawałka cienkiej izolacyjnej linki (np. linka żeglarska lub sznurek murarski) mocuje obciążnik (może być nim kamień, mała butelka z wodą, lub inny przedmiot) i zarzucam go na drzewo tak, żeby obciążnik opadł na ziemię. Można posłużyć się np. procą wędkarską do wystrzelenia obciążnika. Następnie do końca linki, gdzie był obciążnik przymocowuje jeden koniec promiennika i wciągam na drzewo za pomocą drugiego końca linki. Drugi koniec poprzez kilka metrów linki mocuję do gruntu za pomocą metalowego śledzia. Antenę zasilam poprzez układ dopasowujący i krótki fider od strony końca będącego w pobliżu ziemi.

IMG_1699

Taki promiennik ma na swoim końcu impedancję rzędu kilku kiloomów, dlatego nie możemy go włączyć bezpośrednio do nadajnika. Potrzebny jest układ dopasowujący, tzw. transformator impedancji. Taki układ można wykonać na kilka sposobów, np. układ Fuchsa lub skrzynka antenowa z obwodem LC typu L znana jako skrzynka do anten longwire. Ja wybrałem jeszcze inny sposób – transformator szerokopasmowy. Uzyskałem dzięki temu układ nie wymagający strojenia, mały i lekki. Całość mieści się w plastikowym pojemniku o wymiarach ok. 6x4x3 cm.

Ciekawy jest fakt, że jako promiennik możemy zastosować drut o długości pól fali lub o wielokrotności połówki fali (λ/2). W każdym przypadku impedancja na końcu promiennika jest podobna (ok. 3-4 kiloomy) dlatego można używać tego samego układu dopasowującego. Dodatkowo trzeba zauważyć, że promiennik o długości np. 20m będzie miał długość λ/2 dla pasma 40m, 2x λ/2 dla pasma 20m, 3 λ/2 dla pasma 15m i 4x λ/2 dla pasma 10m. Dzięki tej właściwości antena pracuje prawidłowo na tych wszystkich pasmach.

Na rysunku można zobaczyć rozkład prądów i napięć w antenie dla poszczególnych pasm. Można zauważyć, że na końcu anteny, w punkcie zasilania występuje maksimum napięcia i jednocześnie minimum prądu. Z tego powodu impedancja w punkcie zasilania jest stosunkowo wysoka.

antena EFHW rozkład prądów i napięć

Oczywiście częstotliwości poszczególnych pasm amatorskich nie są dokładnymi wielokrotnościami i długości anteny wychodzą odrobinę różne w zależności od pasma, jednak możliwe jest znalezienie długości kompromisowej. W moim przypadku jest to 20,5 m przewodu LGY1x0,5. Oczywiście charakterystyka promieniowania anteny będzie różna dla różnych pasm – trzeba o tym pamiętać wybierając kierunek zawieszenia anteny.

Doświadczenia zebrane podczas wakacji pokazują, że antena działa skutecznie przy niewielkich mocach nadajnika. Używam tej anteny w połączeniu z FT-817 z mocą nieprzekraczającą 5W, otrzymując dobre raporty od korespondentów. Inną bardzo pożądaną cechą anteny jest niewielki wpływ otoczenia na dopasowanie anteny. Praktycznie raz zestrojona antena stroi się tak samo, niezależnie od miejsca i sposobu zawieszenia. Przeprowadziłem próby z anteną:

  • rozwieszoną jako skośny promień,
  • rozwieszoną jako odwrócone V (zasilane na końcu),
  • rozwieszoną poziomo (2-3 metry nad ziemią).

We wszystkich przypadkach antena pracowała prawidłowo, nie wymagała dostrajania.

Poniżej zamieszczam schemat wykonania transformatora.

Antena EFHW schemat

Zwoje powinny być nawinięte bardzo ciasno (powinny przylegać do rdzenia). Druty uzwojenia pierwotnego i wtórnego powinny być przed nawinięciem bardzo dokładnie ze sobą skręcone. Należy jednak uważać, żeby nie uszkodzić emalii. Jeśli ktoś ma w swoich zasobach drut nawojowy w oplocie bawełnianym, to będzie on bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne podczas nawijania. Uzwojenie pierwotne ma 3 zwoje, natomiast uzwojenie wtórne ma 3+23 zwoje drutu nawojowego 0,5mm na rdzeniu Amidon FT50-43. „3+23” oznacza, że 3 zwoje uzwojenia pierwotnego i wtórnego są ze sobą skręcone, kolejne 23 zwoje to pozostała część uzwojenia wtórnego.

Poprawność działania transformatora dopasowującego można sprawdzić w bardzo prosty sposób – należy pomiędzy zacisk promiennika i zacisk przeciwwagi podłączyć rezystor 3,3 – 4,7 kilooma. Tak obciążony transformator powinien być dopasowany do nadajnika z SWR 1,0:1 na wszystkich pasmach krótkofalowych – sprawdzamy to przy pomocy reflektometru. Jeśli jest inaczej należy poszukać błędu w wykonaniu transformatora.

Antenę stroi się dobierając długość promiennika, tak aby współczynnik SWR był jak najmniejszy we wszystkich pasmach (40,20,15 i 10m). Moja antena stroi się z SWR nie przekraczającym 1,5:1 na każdym z pasm. Można zastosować promiennik o długości ok. 41m – wtedy antena będzie pracować również na paśmie 80. Ja jednak wybrałem wersję krótszą (ok. 20m) ze względu na łatwość rozwieszania w terenie.

W praktyce przy mocach QRP antenę można używać bez przeciwwagi, nawet przy krótkim kablu zasilającym. Przy większych mocach należałoby zastosować większy rdzeń (z materiału typu 43), grubszy drut na uzwojenia oraz upewnić się, że prąd wielkiej częstotliwości (w.cz.) nie przedostaje się na obudowę nadajnika. Można to osiągnąć stosując przeciwwagę (ale nie dłuższą niż 0,1 λ) oraz tzw. „chooke balun”, czyli odcinek kabla koncentrycznego nawinięty na rdzeniu toroidalnym.

Transformator zamontowany do obudowy:

Antena EFHW transformator w obudowie

Oraz kilka przykładów rozwieszenia anteny w terenie

Antena EFHW rozwieszenie 2

Antena EFHW rozwieszenie

Antena EFHW trafo mocowanie