Der Autor der Artikelserie über den Empfang von NOAA-Wetterbildern ist Ondro (zawin). Der Originalartikel ist hier zu finden: www.svetelektro.com. TNX!
Im vorletzten Teil dieser Serie befasse ich mich mit dem Empfänger selbst. Ich beschreibe seine Funktionsbausteine und widme dem Aufbau und der Wiederinbetriebnahme des Empfängers einen großen Teil. Dieser Empfänger entstand aus meinem Wunsch heraus, ein eigenes Gerät zu bauen, das Frequenzen aus dem 145-MHz-Band (Amateurfunk) und dem 137-MHz-Band (NOAA-Satelliten, von denen ich meteorologische Bilder der Erde empfange) empfangen kann. Meine Anforderungen waren, dass die Frequenz digital und einfach mittels einer PLL-Schaltung abgestimmt werden kann und der Aufbau nicht zu kompliziert ist. Dies ist mir schließlich gelungen.
Im Artikel werden Sie lesen
Charakteristische Daten
Versorgungsspannung: 12V adaptér/500mA
Aktueller Verbrauch: 200mA
Frequenzbereich: 137-145Mhz
Zwischen den Frequenzen: 10,7Mhz a 455khz
Eingangsempfindlichkeit: 0,6uV
Displej: 1×16 Zeichen
Abstimmungselement: Encoder
Blockdiagramm:
|
Im Folgenden werde ich die Funktion jedes Blocks beschreiben:
HF-Vorverstärker
Es dient der Verstärkung des von der Antenne empfangenen Signals. Das Antennensignal wird einem kapazitiven Teiler (C33, C34) zugeführt, der der Impedanzanpassung dient. Der Teiler bildet zusammen mit L1 einen Eingangsschwingkreis, der an einen Dual-Base-MOSFET (vorzugsweise rauscharm; ich habe den Typ BF988 gewählt) angeschlossen ist. Der Widerstand R1 unterdrückt effektiv die Schwingungsneigung des Transistors. Dieses Signal gelangt dann zu den Schwingkreisen C36, L2; C39, L3; L4, C43, C44 – diese bilden die Sendebandbreite von ca. 4 MHz. Die kritische Kopplung zwischen den LC-Schwingkreisen wird durch die Kondensatoren C37, C38, C40, C41 eingestellt. Dieses Signal wird anschließend dem MC3362-Schaltkreis zugeführt.
PLL-Synthese
Die Frequenzsynthese des SAA1057 liefert eine stabile Oszillatorfrequenz für den ersten Mischer. Sie ist primär für die PLL-Synthese vorgesehen. VHF und Kurzwellenempfänger. Für meine Zwecke kann die Synthese bei einer Abstimmspannung von 4,5 V einen Frequenzbereich von 110–150 MHz abstimmen. Die Bauteilwerte habe ich anhand der Katalogdaten ermittelt. Die Schaltung empfängt Frequenzdaten von einem Mikrocomputer und misst gleichzeitig die Frequenz des Oszillators der MC3362-Empfangsschaltung. Als Ausgangssignal dient die Abstimmspannung, die dem internen Varicap der MC3362-Empfangsschaltung zugeführt wird. Die Referenzfrequenz wird von einem 4-MHz-Quarz erzeugt. Die Abstimmschrittweite der Synthese beträgt 10 kHz. medzifrekvencia je 10,7Mhz a chceme prijímať signál na frekvencii napr. 137,5MHz, frekvencia oscilátora musí byť 137,5Mhz-10,7Mhz=126,8Mhz, tým pádom musíme aj do PLL syntézy posielať dáta s frekvenciou o 10,7Mhz nižšiu ako je prijímaná frekvencia.
Empfangsschaltung
Als Empfangsschaltung wählte ich den integrierten Schaltkreis MC3362 von Motorola. Es handelt sich um einen schmalbandigen FM-Empfänger mit doppelter Mischung bis zu einer Frequenz von 200 MHz. Das Signal vom HF-Vorverstärker gelangt zum ersten Mischer, wo es mit der Oszillatorfrequenz gemischt wird. Die Differenzkomponente dieses Signals (Fin-Fosc) = 10,7 MHz wird verstärkt und dem Keramikfilter F1 zugeführt. Ich wählte einen handelsüblichen Keramikfilter aus einem FM-Empfänger mit einer Bandbreite von 180 kHz. Nach der Filterung wird das Signal dem zweiten Mischer zugeführt, wo es mit einer Frequenz von 10,245 MHz gemischt wird – diese Frequenz wird vom Quarz X1 erzeugt. Diese Differenzfrequenz (455 kHz) wird im Keramikfilter F2 gefiltert. NOAA-Satelliten benötigen eine Bandbreite von ±30 kHz. Da ich leider keinen so breiten Filter zur Verfügung hatte, verwendete ich einen gängigen SFU455 mit einer Bandbreite von nur ±15 kHz. Dies beeinträchtigte die Bildqualität jedoch nicht wesentlich. Nach dem F2-Filter wird das Signal in einem internen Limiter verstärkt und an einen Quadraturdemodulator weitergeleitet, dessen Ausgang durch die Bauteile L6, C6 und den Widerstand R1 bestimmt wird.
NF-Verstärker
Vom Ausgang des MC3362-Schaltkreises wird das demodulierte Signal einem einfachen RC-Filter zugeführt, der aus den Bauteilen R3, C11 und C12 besteht und unerwünschte Frequenzen unterdrückt. Dieses Signal wird dann über das Potentiometer P3 an den Tieftonverstärker LM386 geleitet. Dieser Verstärker mit einer Leistung von 250 mW ist für meine Zwecke ausreichend. Das Signal wird über ein Potentiometer, das als Spannungsteiler geschaltet ist, zur Lautstärkeregelung weitergeleitet. Die Verstärkung wird mit den Bauteilen R5 und C13 eingestellt. Das verstärkte Signal wird an den Lautsprecher und gleichzeitig über einen Spannungsteiler an den externen Ausgang der Soundkarte angeschlossen.
Noise Gate
Ein häufiges Phänomen beim Empfang schwacher Signale oder beim Einstellen des Empfängers außerhalb der Sendefrequenz ist ein störendes Rauschen im Lautsprecher. Daher verwende ich im Empfänger eine Rauschsperre (Squelch), die den Pfad des Niederfrequenzsignals unterbricht, wenn der Hochfrequenzpegel am Empfängereingang nicht ausreicht. Die MC3362-Schaltung bietet eine direkt integrierte Option zur Verwendung einer Rauschsperre, die ich ebenfalls genutzt habe. Die Empfindlichkeitsschwelle wird über das Potentiometer P2 eingestellt. Am Ausgang 11 (Trägererkennung) befindet sich ein Steuersignal für den Schalter der Rauschsperre. Dieses ist mit dem Transistor T2 verbunden, dessen Kollektor mit der Stummschaltung des Niederfrequenzverstärkers LM386 verbunden ist.
Dieses Steuersignal wird an Transistor T1 geleitet und dort auf den entsprechenden Spannungspegel eingestellt. Dieses Signal wird für die Scanfunktion verwendet. Die Scanfunktion arbeitet, indem sie das Frequenzband in einem festgelegten Bereich durchsucht, bis ein Signal empfangen wird. Sobald ein Signal empfangen wird, stoppt der Scanvorgang bei der Sendefrequenz.
Mikroprozessor
Ich habe einen Mikroprozessor der Firma Microchip verwendet – einen PIC16F628A. Dessen I/O-Leitungen sind zu 100 % ausgelastet. Er übernimmt die Kommunikation mit der PLL-Synthese, an die er Daten über die gewünschte Frequenz sendet. Das 1x16-Zeichen-Display zeigt die eingestellte Frequenz an. Der Eingang ist ein Encoder, der auch für die Scan-Funktion genutzt wird. Das Programm für den Mikroprozessor wurde von meinem Freund FUBU geschrieben, wofür ich ihm herzlich danke!
Empfängerdesign
Programmierung des Mikroprozessors
Um einen Mikroprozessor zu programmieren, benötigen Sie ein Programmiergerät. Eine einfache Anleitung zum Bau eines PIC-Programmiergeräts finden Sie unter [Link einfügen]. http://bezstarosti.cz/elec/picprog_7405/picprog_7405.htm Das Programm für den Mikroprozessor ist universell ausgelegt. Das bedeutet, dass Sie den Abstimmbereich, die Abstimmschrittweite, die Begrüßungsnachricht beim Einschalten des Empfängers und auch die Frequenz beim Einschalten einstellen können. Wie das geht, erklären wir Ihnen im Folgenden. 🙂
Abb. 1: EEPROM-Einstellungen
|
In Abbildung 1 sehen wir das EEPROM-Datenfeld. Diesen Bereich werden wir bearbeiten. Wie Sie sehen, werden die ersten beiden Zeilen für die Begrüßungsnachricht verwendet, die beim Einschalten des Empfängers angezeigt wird. Sie können selbst entscheiden, welche Zeile Sie wählen, die maximale Länge ist jedoch auf 16 Zeichen begrenzt.
Mit den nächsten beiden Zeilen legen wir die Eigenschaften der PLL-Synthese und die Abstimmgeschwindigkeit fest. Ich empfehle, dabei das Datenblatt des SAA1057-Schaltkreises zu konsultieren.
Ich werde die einzelnen Hexadezimalzeichen in den Adressen und ihre Funktion beschreiben.
C1 – Datenwort B, die ersten 8 Bit. Bei einer Abstimmschrittweite von 10 kHz „C1“ beibehalten, bei einer Abstimmschrittweite von 12,5 kHz „E1“ ersetzen.
45 -Datenwort B, letzte 8 Bits – keine Änderung erforderlich
89 – dezimal die Zahl 137, d.h. die Frequenz vor dem Dezimalpunkt, die beim Start des Empfängers eingestellt wird.
32 – dezimal 50, d. h. es ist die Frequenz nach dem Komma, die beim Start des Empfängers eingestellt wird. (Zur Verdeutlichung: Nach dem Start ist die Frequenz auf 137,500 MHz eingestellt.)
89 Die niedrigste Frequenz, auf die der Empfänger eingestellt werden kann, beträgt dezimal 137, d. h. die niedrigste Frequenz, auf die eingestellt werden kann, ist 137,00 MHz.
8A Die höchstmögliche Frequenz, die der Empfänger empfangen kann, beträgt dezimal 138, d. h. die höchste Frequenz, die empfangen werden kann, ist 138,00 MHz.
(Bei Verwendung der Scan-Funktion stellt der Empfänger den Frequenzbereich von 137,0 MHz bis 138,0 MHz ein.)
01 – Abstimmungsgeschwindigkeit für die SCAN-Funktion, 01 – schnellste Abstimmung, 03 – langsamste Abstimmung
Die anderen Hexadezimalzahlen werden verwendet, wenn beispielsweise die Abstimmungsstufe des Empfängers geändert werden soll. Dies kann über den Eingang RA5 (Pin 4) erfolgen – dieser Eingang wird im Empfänger nicht verwendet. Wenn die Umschaltung nicht gewünscht ist, müssen diese Daten nicht eingestellt werden.
Wenn wir uns für die Verwendung entscheiden, müssen wir Folgendes einstellen:
89 – Datenwort B, die ersten 8 Bit. Bei einer Abstimmschrittweite von 10 kHz „C1“ beibehalten, bei einer Abstimmschrittweite von 12,5 kHz „E1“ ersetzen.
45 – Datenwort B, letzte 8 Bits – keine Änderung erforderlich
01 – Abstimmungsgeschwindigkeit für die SCAN-Funktion, 01 – schnellste Abstimmung, 03 – langsamste Abstimmung
Abb. 1: EEPROM-Einstellungen – Anzeige im Dezimalsystem
|
Auf Bild Nr. 2 ist zu sehen, dass beim Doppelklicken auf die Adresse auch die Hexadezimalzahl angezeigt wird, was die Einstellung der Frequenz erleichtert 🙂
Falls Ihnen diese Einstellungen zu kompliziert sind, brauchen Sie nichts zu ändern. Wenn Sie mit den Standardeinstellungen des Empfängers zufrieden sind, d. h.: Frequenzbereich von 137,0 MHz bis 138,0 MHz, Abstimmungsschritt 10 kHz, Frequenz nach Empfängerstart 137,50 MHz und höchste Abstimmungsgeschwindigkeit.
Leiterplattenherstellung und -bestückung
Ich habe den Empfänger in Eagle 4.13 entworfen und darin auch eine doppelseitige Leiterplatte erstellt. Die doppelseitige Ausführung ist notwendig, da ich die Oberseite der Anschlüsse zur Erdung verwendet habe. Dies gewährleistet eine höhere Stabilität des Empfängers und reduziert gleichzeitig die Störanfälligkeit und Schwingungsempfindlichkeit. Zunächst hatte ich aus Gründen der Einfachheit nur eine einseitige Leiterplatte für den Empfänger verwendet, diese funktionierte jedoch nicht stabil und wurde durch die PLL-Synthese stark gestört. Die doppelseitige Leiterplatte habe ich mithilfe eines Fotowiderstands hergestellt. Dazu habe ich zunächst die untere Lage der Leiterplatte belichtet und entwickelt und anschließend einige Löcher hineingebohrt. Mithilfe dieser Löcher konnte ich die Schablone auf der oberen Lage präzise positionieren.
HF-Spulendesign
Ich habe HF-Spulenkerne aus einem alten Tesla-Fernseher verwendet; die sind dort wirklich hervorragend. Nach dem Löten entfernen wir die Abschirmung, entsorgen die alte Spule und wickeln 2,75 Windungen auf den Kern. Anschließend schließen wir ihn und löten ihn auf die Platine. Der Kern hat einen Durchmesser von 5 mm. Die Kerne sollten farblos oder weiß sein; andere Farben sind für diese Frequenzen ungeeignet!
Schaltplan
|
Abmessungen der Unterseite der Leiterplatte: 12,2 × 8,14 cm
|
Abmessungen der Oberseite der Leiterplatte: 12,2 × 8,14 cm
|
Leiterplattenmontage
|
Herunterladen
|
Teileliste
| C1 – 150 pF C2 – 47pF C3,C4 – 100nF C5 – 47nF C6 – 47pF C7,C8 – 100nF C9 – 8,2 pF C10 – 100 nF C11 – 47nF C12 – 4,7 nF C13 – 100µF C14 – 470 µF C15 – 47nF C16 – 2,2 nF C17 – 10nF C18 -47uF C19 – 100 nF C20,C21 – 100nF C22 – 470 nF C23 – 10 nF C24 – 47µF C25 – 47nF C26 – 27pF C27 – 10 nF | C28,C31,C32 – 100nF C29,C30 – 470µF C33 – 10pF C34 – 33pF C35 – 100 nF C36–6p8 C37,C38 – 1p2 C39 – 8p2 C40,C41 – 1p2 C42 – 1000µF C43 – 10pF C44 – 33pF C45 – 100 nF C46 – 100 nF R2 – 4,7 kΩ R3 – 10 kΩ R5 – 1 kΩ R6 – 180 Ω R7 – 120 kΩ R8 – 10 kΩ R9 – 4,7 kΩ R10 – 4,7 Ω R11 – 2,2 MΩ R12,R13 – 10kΩ | R14 – 10kΩ R15 – 100 kΩ R16 – 10kΩ R17 - 10 kΩ R18 – 100 kΩ R19 – 47Ω R21 – 1 kΩ R22 - 10 kΩ P1 – 470R P2 – 100 kΩ P3 – 10 kΩ K3 – Encoder STEC12E08 K1 – Anschlussort Lautsprecher oder LINE-IN X1 – 10,245 MHz X2 – 4 MHz T1- BF988 T2,T3 – BC337 F1 – 10,7 MHz F2 – 455 kHz L1 – 455-kHz-Filter L7 – 100 µH L1 – L5 – 2,75z IC1 – MC3362 IC2 – SAA1057 IC3 – LM386 IC4 – PIC16F628A IC5 – 7805 |
Empfängerwiederherstellung
Nach dem Verlöten aller Bauteile können wir den Empfänger wieder in Betrieb nehmen. Zuerst überprüfen wir die korrekte Funktion des Stabilisators und ob die Versorgungsspannungen korrekt sind. Vergessen Sie nicht, die Ober- und Unterseite der Platine mit 4-adrigen Jumperkabeln zu verbinden! Die Bauteile werden, soweit möglich, auch von der Oberseite verlötet. Dies ist insbesondere für die Masse der HF-Spule unerlässlich!
Nach dem Einschalten des Empfängers sollte für 3 Sekunden eine Begrüßungsnachricht auf dem Display erscheinen, gefolgt von der zuvor gewählten Frequenz. Falls dies der Fall ist, versuchen Sie, den Encoder zu drehen, um zu prüfen, ob sich die Frequenz ändert. Wenn ja, können wir die PLL einstellen.
PLL-Einstellung
Der Oszillator des ersten Mischers muss korrekt eingestellt werden, damit die PLL-Synthese die Frequenz im richtigen Bereich einstellen kann. Dazu wird ein Messgerät an Pin 23 angeschlossen. Liegt die Spannung im Bereich von 0,7–4,3 V, hat die PLL-Synthese die Frequenz erfolgreich eingestellt. Liegt die Spannung nahe 0,7 V, schwingt der Oszillator zu niedrig. In diesem Fall wird der Kern der Spule L2 mit einem Schraubendreher so weit hineingeschraubt, bis die Spannung ansteigt. Liegt die Spannung hingegen bei etwa 4,3 V, muss der Kern so weit herausgeschraubt werden, bis die Spannung abfällt.
Falls die Synthese nicht eingestellt werden kann, lässt sich die Oszillatorfrequenz mit einem Zähler messen. Diese sollte 10,7 MHz niedriger als die Empfangsfrequenz sein. Falls der Oszillator gar nicht schwingt, kann der Kondensator C9 ausgetauscht werden.
Einstellen der Eingangsresonanzkreise
Meine größte Sorge galt den LC-Schwingkreisen im HF-Vorverstärker. Da mir die nötigen Geräte wie ein Saugresonanzmessgerät oder ein Streugenerator fehlten, war die Abstimmung sehr schwierig, aber ich habe es geschafft 🙂
Falls Sie diese Geräte nicht besitzen, keine Sorge: Ein einfacher Oszillator mit einer Frequenz von 137 MHz und ein Frequenzzähler genügen. Wir bauen einen Klatschoszillator, schließen ihn an eine 9-V-Batterie oder ein Netzteil an und stimmen ihn mit dem Zähler auf 137 MHz ab. Anschließend verbinden wir eine provisorische, etwa 20 cm lange Antenne mit unserem Empfänger. Nach der Abstimmung sollte der Lautsprecher stumm sein. Wir entfernen den Oszillator so weit vom Empfänger, dass keine Hintergrundgeräusche auftreten. Nun stimmen wir die Eingangsstufen ab, zuerst L1 und L2, dann L3 und L4. Anschließend können wir den Oszillator weiter vom Empfänger entfernen und die Filter genauer einstellen. Falls Sie die Eingangsstufen nicht abstimmen können, bitten Sie einen Funkamateur um Hilfe. Als Nächstes müssen Sie den LC-Filter des Demodulators so einstellen, dass das demodulierte Signal möglichst stark ist. Ich habe diese Abstimmung nur beim Satellitenempfang durchgeführt.
Ich habe das gesamte Gerät in ein Gehäuse eingebaut. Oben befinden sich Potentiometer zur Lautstärkeregelung und zur Rauschsperre, unten ein Lautsprecher und vorne ein Display sowie ein Drehregler zur Frequenzeinstellung. Die Bilder zeigen den Aufbau des Gehäuses genauer. 🙂
Empfängerplatine
|
Einbau von Potentiometern, Netzteil und Ausgang
|
Installation des Displays und des Encoders
|
Fertigprodukt
|
Leiterplatte in einer Box
|
Referenzen
FM-Empfänger (134–141 MHz) zur Verarbeitung von Signalen meteorologischer Satelliten. PE10-12/2002
Empfänger und Schnittstelle. WXSAT, PE 2-6/1997
Ich wünsche Ihnen viel Erfolg beim Bau dieses Geräts! Im nächsten Teil lernen wir, wie man Bilder auf einem PC dekodiert.