mcHF, azaz profi a műhelyből

2014. október 07. kedd
KIT/RIG | Szerk: HA8LHT

Könnyen beszerezhető általános alkatrészek, profi tudás és a csábítóan világító TFT kijelző. Ezt ígéri az a projekt, amibe már csak azért is érdemes belevágni, mivel a panel és a kijelző csomagban jön.

M0NKA Chris barátunk konstrukciójával olyan készülékre tehetünk szert, ami egyaránt alkalmas otthoni használatra vagy egyéb kitelepülés munkájára. Ha mögé teszünk egy autotunert is, kompromisszum nélküli SOTA rádiót kapunk. A következő egy-két hónapban ezt a készüléket fogom itt bemutatva megépíteni.

mchfboEgyszer már láttam a szép színes TFT kijelzőt egy képen, de az X1M PRO-hoz hasonló készülék mintájára gondoltam. A minap ismét rábukkantam, és jobban szemügyre vettem: nem komplett kitről vagy készen vásárolt rádióval találkoztam, hanem egy – vagyis két – panelről és a velük együtt megrendelhető LCD-ről. A készülék a maga egyszerűségével egyértelmű és csábító, a 38 fontnyi vételárban a postaköltség is benne van, nem volt min teketóriázni. Ugyan eleinte olyan készülékben gondolkodtam, amit néhány hét alatt egy Arduino környezetébe megépíthetek, de azt meghagyom tavaszra.

 

A rendelés

A Farnell a minimális rendelhető darabszámok miatt néhány esetben felejtős, ezek többnyire az általános alkatrészek. Három apróság, mint az 1 nF, 47 nF és a 680 nH utánszállítással jön, ez azt jelenti, hogy nincs raktáron, de amint megérkezik, külön szállítási díj nélkül elküldik. Azokat az általános ellenállásokat és kapacitásokat, amikből nem akartam ezresével rendelni, a TME-től szereztem be, mintegy harmad áron és ezred darabszámban. A kicsit is speciálisabb holmihoz, mint például a végfok RD fetjéhez vagy a ferritekhez (nyugalom, teljesen átlagos BN43 és T37) nem nehéz egyéb oldalakon hozzájutni. Egyedül a DigiKey oldaláról rendelendő amúgy filléres CX2074 trafónál és MA4P diódánál néztem nagyot, de szerencsére egy ismerős épp jött haza amcsiból, így az Si570-et mellécsapva elhozta nekem. Erre a manőverre a 60 dolláros postaköltség miatt volt szükség.

A panelek rendelése nagyon könnyen ment. A három tétel – negyedik a Nagy-Britannián kívüli postaköltség – kosárba dobálását követően PayPal fizetés és kész is. Chris másnap dobott egy mailt – nagyjából a követési kódot tartalmazó PayPal teljesítésigazolásával egyszerre – hogy már postán is van a holmi. Tapasztalataim szerint a Royal Mail-el feladott küldemények egy-másfél hét alatt érnek ide, épp egy hétre rá látom is a követő linken, hogy Magyarországon a GLS átvette kézbesítésre. Hazaérve már az értesítés várt, hogy az állapot frissítése előtt órákkal próbálták kézbesíteni.

Eddigi költségek: panelek és LCD 38£ (15.000 Ft), Farnell rendelés 32.000 Ft, TME 18.000 Ft. Amerikából jön az Si570 és még keresem a végfok fetjét, amiből Aliéknál olcsón van rossz minőségű hamisítvány, mint fórumokból kiderül, onnan nem szabad rendelni. Az utórendelések, azaz a kifelejtett vagy cserés alkatrészek pedig még csak ezt követően fognak kiderülni, nincs doboz se nyomtatva. A ferriteket a legegyszerűbben 55 dollárért tudtam beszerezni a kitsandpartstól, igaz, ebben épp tízszeres mennyiség van. A rádióra jutó ferritkvóta a 16,55 dolláros szállítás nélkül majdnem egy ezres.  A CX trafókat és az Si PLL-t Amerikából küldi egy ismerős haza, a végfokot és a diódákat még keresem. Néhány alkatrész kimaradt a rendelésből, a TME-nek leadott második kör 6000 forintot tesz ki.

Három hét kellett a KitsAndParts ferritjeinek, mire ideértek Amerikából. A rendelést W8DIZ köszönte meg. Tekercsadatok nincsenek megadva, csupán az induktivitások és a gyűrű anyaga. Én az alábbi menetszámokkal készítettem el, 0,xx milliméter átmérőjű (#nn AWG) zománcozott rézhuzalból. (a cikk itt folyamatosan frissül)

A végfok az RF Parts-tól jön, Amerikából. 20 dollár a minimum rendelés, de csak 9 dollár a postaköltség, ami nagyon jó és kivételesen kevés. A két fet együttes ára 9,5 dollár, azaz 2500 forint.

 

Az elkészült vezérlő panelAz építés

Közel 500 alkatrészt beforrasztani nem kis munka. A panel kifejezetten jó minőségű, precízen és egyértelműen szitázott. Ami meglepő, hogy “BPF Option” néven a, b és c aljelű komponensekkel találkoztam, sebaj, mire minden más a helyére kerül, utánajárok ennek is.

A processzor beforrasztása megizzasztott. A folyasztószerrel agyonkent lábsorokon hamar végigértem a pákával, de két láb sajnos összefolyt. Amikor gyantás rézharisnyával le akartam húzni a felesleges cint, az kihűlt és az egyik láb ráragadt, teljesen elhúztam oldalra. Persze az eltávolíthatatlan mennyiségű cin a harisnya felmelegítésekor azonnal örök barátságnyi gyantával folyasztotta össze az összekuszálódott lábakat, amin a pákával való piszkálódás sem segített. Szerencsére mikroszkóp alatt a helyére tudtam igazgatni mind.

 

Hibák

Nem kell rendelni RFC5, RFC6, RFC7 fojtókat, mármint kell, csak újabb típust nem, ugyanis a közzétett lista és a kapcsolási rajz 4,7µH értékeket ír, holott az összes fojtó 47µH (már Chris is így építette). A hangfrekis panelen találtam egy felszitázott alkatrészhelyet, nevezetesen a C40-et. A kapcsolási rajzon nem szerepel, csupán szövegesen van megemlítve rajta – persze így nem kereshető módon. Az 1nF értékű kondi az R3 ellenállással párhuzamosan van kötve az U3 hangfrekvenciás végfok mellett. (a cikk itt folyamatosan frissül)

Nem kimondott hiba, de meg kell jegyezni, hogy a stabkockák borzasztómód melegszenek.

A piros számok problémája – és a kijelzőn is jelzett átviteli hiba – akkor jelentkezik, ha az Si570 oszcillátor nincs beépítve, vagy jellemzően a két végén lévő adatláb nem megfelelően érintkezik. Itt a panel padjai is lehetnének akár csak fél-fél milliméterrel hosszabbak vagy távolabb, sajnos teljesen az IC alatt vannak, nehéz forrasztani.

 

A rádióm első bekapcsolásaA programozás

Ha túl vagyunk a 100 láb beforrasztásának izgalmain is, eljött az az idő, amikor kész az UI panel. Röviden úgy néz ki, hogy a processzor gyártójának  (ST) környezetével felprogramozunk egy bootloadert, majd a rádióhoz írt mcHFmanager programmal feltöltjük a legújabb firmware-t. Nézzük lépésről lépésre, aprólékosan.

 

1. Az ST oldaláról letöltjük a DfuSe Demo szoftvert és telepítjük.

2. Ezt követően Chris oldaláról letöltjük hozzá a legújabb bootloadert és egy könnyen megtalálható helyre rakjuk a .dfu kiterjesztésű fájlt.

3. Kapcsoljuk DFU módba a készüléket. Ezt több lépésből végezhetjük el.

3.1 Csatlakoztassuk rádiónkhoz a mini USB aljzattal a számítógépet és adjunk neki tápfeszt.

3.2 Az UI panelen zárjuk rövidre a processzor alatti P6 jumpert.

3.3 Tartsuk benyomva a Band+ gombot (monitortól balra, felül a jobb szélső).

3.4 Tartsuk benyomva a bekapcsoló gombot (monitortól balra, felül a bal szélső, egyedülálló), és a bootloader teljes feltöltése alatt tartsuk is úgy.

3.5 Engedjük el a Band+ gombot.

3.6 Ellenőrizzük, hogy a DFU eszköz megjelent-e az USB porton.

4. Indítsuk el a DfuSe Demo alkalmazást, és ellenőrizzük, hogy észleli-e a processzorunkat.

5. Válasszuk ki a legújabb bootloader fájlt (cikkem írásakor ez a 0.0.0.9 verzióját tapossa – mcHF_boot_0.0.0.9.dfu) (Choose gomb).

dfu1

 

6. Még mindig lenyomva tartjuk a bekapcsológombot, minden beállítás módosítása nélkül az Upgrade gombbal feltöltjük a bootloadert, és megvárjuk, amíg értesít a sikeres feltöltésről.

dfu2

7. Lehúzzuk a tápfeszt és leszedjük a P6 jumpert. Ezzel kiléptünk a DFU módból és a rádió normál programozására készülünk fel.

8. Letöltjük az mcHFManager programot Christől és kicsomagoljuk.

9. Szintén letöltjük a legfrissebb firmware-t, és könnyen megtalálható helyre tesszük (esetemben ez a mcHF_firm_0.181.bin verzió).

10. Dugjuk be a miniUSB kábel. Tartsuk benyomva a Bandgombot (kijelző mellett bal oldalon, a páros bal oldali tagja), és a bekapcsoló gombbal kapcsoljuk be a készüléket.

11. Ha sikerült ezzel belépni a bootloaderbe, azt egy felvillanás után fekete képernyővel és az RX valamint TX ledek folyamatos világításával jelzi.

12. Telepítjük a driver mappából a rádió meghajtóprogramját. Ehhez az eszközkezelő lesz segítségünkre, ami felkiáltójellel kiállított eszköznek jelöli az eddig még ismeretlen hardvert. Kézzel kell megadnunk neki a driver elérési útvonalát. A biztonsági központ felszisszen, hogy nem aláírt meghajtót akarunk telepíteni, nem foglalkozunk vele, megerősítjük a műveletet.

13. Indítsuk el az mcHFManagert és a Detect gombbal meg kell, hogy tudjuk jeleníteni a rádiónk szoftverének részleteit.

manager 1

 

14. A […] gombbal kiválasztjuk a firmware .bin kiterjesztésű állományát.

manager 2

 

15. Rákattintunk az Update gombra, ezzel fel is programoztuk a rádiót.

manager 3

16. A rádió újraindul, és már használható is az UI panel.

 

CAT

Fejlesztés alatt van egy CAT (Computer Aided Transceiver) funkció is, egyenlőre a gyártó oldaláról elérhető driverrel a soros porti emulációval a PTT behúzása működik. A semminél ez is több, digitális üzemmódok használata esetén pedig nagyon nagy segítség, hogy nem kell interfészekkel és külön kábellel bajlódni.

 

A konstrukció

A készen szállított kétoldalas panel egyike a kezelőszerveket és a processzorokat valamint a kijelzőt hordozza, míg a másikon a nagyfrekvenciás áramkörök kaptak helyet. A kétoldalas panelek mindkét fele szitázott, erre a SoftRock RXTX felirat nélküli SMD oldala óta kényes vagyok. Ami előre fejtörést okoz, az a hangprocesszor (DSP) és a 32 bites ARM processzor, az MCU százlábú LQFP tokozása, bár egyszer már csináltam ilyet az SDR-1000 projektben, és jól sikerült.LQFP-100

  • Frekvenciasáv: 3-30 MHz
  • Üzemmódok: USB, LSB, AM, CW
  • Kimenő teljesítmény: 10 W (SSB PEP)
  • Áramfelvétel: 430 mA (250 mA) / 3,7 A
  • 48 kHz sávszélességű spektrumkép
  • 2.8″ színes LCD kijelző
  • Négy enkóder és 17 gomb
  • Két USB port PC kapcsolathoz és külső billentyűhöz
  • Külön hőkompenzált oszcillátor (TCXO) a nagy stabilitás és a digitális üzemmódok érdekében
  • Négy digitális szűrő 1.8 kHz, 2.6 kHz, 3.6 kHz és 10 kHz sávszélességben
  • Beépített A és B módú jambikus billentyű program

A szoftverek frissítésére egy yahoo közösség révén folyamatosnak ígérkeznek a toldozgatások, legalábbis erre kapott ígéretet Chris. Ilyen pótolnivaló az IQ balansz és AGC funkciója.

Maga a készülék SDR alapokra épül. A 3253 multiplexer nem újdonság azok számára, akik építettek már SDR-t, és nem elégedtek valamiért meg a 4066 sorozattal.  A mintegy 500 alkatrészt felsoroló összesített alkatrészlistának hamar pipa került valamennyi sorába. A rendelési hely gondosabb megváltoztatásával mintegy 20 százalékot spórolhatunk, a projekt végösszege becslés szerint 80.000 forint lesz, ezt később pontosítom.

mcHF blokkvázlat

A blokkvázlat magáért beszél, különösebb magyarázat semmire sem szorul, speciális megoldás nincs felsorakoztatva benne. Ami elsőre feltűnhet gyakorlatilag az egyetlen kis csalódás, miszerint a második TCXO nem olyan frekvenciamenetet határoz meg, ami valóban és közvetlenül a készülék nagyfrekvenciás viselkedését befolyásolná, viszont ezt némileg ellensúlyozza az Si570 MCP9801-gyel felépített temperált környezete.

 

Detektor

A vevő detektora egy tipikus, 3253-mal felépített Tayloe-detektor, amibe egy MCU által előállított feszültséggel vezérelt ATT fokozaton és egy kisjelű előerősítőn keresztül jut a nagyfrekvenciás jel. A BFR93A-val felépített erősítő feladata, hogy kompenzálja a sávszűrők legfeljebb 3-4 dB veszteségét. A kiegyenlített 3253-at egy kiszajú, OPA2350 műveleti erősítő követ. Az alkalmazott 22nF kondik precíz, 100 voltos típusok.

detektor

Chris az egyszerűség kedvéért kipróbált néhány monolitikus erősítő IC-t is. Ezek 15 decibeles erősítése a sávszűrők 3-4 decibeles veszteségével szemben ugyan csábítónak hangzik, de a rövidhullámú tartományban a gigahertzekre tervezett MMIC-k nem bizonyultak elég stabilnak. Az R39-C66 emitterre kapcsolt kombó opcionálisan nagyobb erősítést kölcsönöz a tranzisztoros előfoknak. A

 

Sávszűrő

A teljes rövidhullámú tartományt négy sávszűrővel fogja át a rádió 80, 40, 30-20 és 15-10 méter terjedelemben. Mind adás, mind pedig vételoldalon ugyanazok, teljesen átlagos elemekkel felépített sávszűrők dolgoznak. A BPF áramköröket két darab 3253 iktatja be és kapcsolja ki a rajzon feltüntetett igazságtáblázat szerint.

 

mchfrf2

A szűrők vizsgálata egy Hameg spektrumanalizátorral és a beleépített generátorral történt. A generátor kimenete valószínűleg sérült, a mérések 0 és 20 dB között történtek.

 

Lokáloszcillátor

Az oszcillátor egy I2C buszon programozható Si570-ből áll, amit egy szintén I2C buszon kontrollált MCP9801 hőszenzor követ. A 12 bites adatvonal 0,0625 °C felbontással kompenzálja PLL hőmérséklet különbségéből adódó frekvenciaváltozását. Erre azért is szükség van, mert az Si IC magas belső órajele miatt jelentős hő keletkezik, üzemi hőmérséklete 35-40 °C. Az IC áramfelvétele 80-90mA.

localo

A négyszeres frekvencián futó PLL-t a 7417-tel felépített buffer majd a 74LCX74 Johnson számláló követi, mint quadratúra-osztó. Az oszcillátor vége egy újabb bufferfokozat, ami a két-két, egyenként fél fázissal eltolt lokáljellel a vevő- és az adófokozatokat szolgálja ki.

 

Adó kvadratúra fokozat

Ez a modul állítja elő az adóoldal IQ kodekje számára a a négy különböző fázisú lokáljelet (0°, 90°, 180°, 270°).

txquad

A négy darab LM386 kimenetén maximum 8 Vpp szint jelenik meg, amit a DSP-vel állíthatunk. Az adófokozat linearitása miatt itt nem célszerű nagyobb jelszintet alkalmazni.

 

Adókeverő

Az adókeverő egy szintén 3253-mal felépített kiegyenlített kvadratúra mintavevő áramkör, aminek a kimenete az SMD trafón át jut a sávszűrőre, mielőtt a végfokot hajtaná meg. A bemenetén alkalmazott 22nF kondik szintén 100 voltos kivitelűek.

txmixer

 

Végfok

A két DXT3150 bipoláris tranzisztort követően két darab, PP üzembe kapcsolt RD16HHF1 tranzisztor alkotja a 10 wattos végfokozatot.  A végtranzisztorok előfeszítését az LM2931 lineáris szabályzó végzi, így az MCU DAC áramköréből kapott feszültségszinttel állíthatjuk a kimenő teljesítményt. A kalibrációs menüben állítható feszültségtartomány 2,5-4,3 volt között van, így akár használhatunk olcsó IRF510 feteket is.

pa

A PTT_N jele a lineáris IC-t kapcsolja ki, így vételkor nem vesz fel felesleges áramot.

 

LPF

lpf_cutoffNégy aluláteresztő szűrő végzi a teljes rövidhullámú sávban a harmonikusok szűrését. A kialakítás szerint be- és kimenetén két-két relé logikai kapcsolásával minimálisra lett csökkentve a relék száma, amiket a 74LS145 dekóder vezérel.

lpf

 

A relék meglehetősen drága alkatrészek. A G6KU-2FY 3 voltos SMD relé az Omron új terméke, közel kétszeres áron mérik, mint a megszokott társait. Fontos a tekercsek precíz elkészítése, az egyenletes menetemelkedés.

 

Antennakapcsoló és az SWR mérőhíd

Az antenna kapcsolást két diódával oldotta meg Chris, amik az adás- és vételoldalt választják el. Nyitásukat az MCU végzi a PTT és a PTT_N vezérlőjelek segítségével. A PWR/SWR híd a processzor ADC-je számára állít elő feszültséget.

antkapcs

 

swr

 

Tápegység

Az LM2941, 7805 és 7833 IC-k köré épülő fokozat az MCU és a DSP által alkalmazott logikai szintek 3,3 voltos jele mellett előállítja például a 8 voltot a HF erősítőnek és az adó kvadratúra fokozatának, a PTT jeleként szolgáló 5 voltot az RF moduloknak. A végfok 12 voltról üzemel.

mchfpwr

 

Processzor (MCU)

Az egész készülék az STM32F4 processzor köré épül. A 16 MHz-es MCU-hoz kapcsolható egy FOX924 TCXO is, ha a saját 16 megahertzes kristálya nem lenne elegendő és nagyobb frekvenciastabilitásra van szükség, mint például a digitális üzemmódok alkalmazása során.

mcu

A CPU-t először is fel kell programozni, azaz feltölteni rá a rádió szoftverét, firmware-jét. Ezt a BAND+ benyomásával és a P6 jumper – DFU vagy Boot (Flash) mód – rövidre zárásával lehet végezni, ami részletesen be lesz mutatva. A feltöltést követően a rádió használatának megkezdése előtt az R40 kerül a helyére.

 

Audio kodek (DSP)

Talán nem helyes a DSP elnevezés, hiszen a digitális jelfeldolgozást az MCU is végzi, nem egyedül az egy pár ADC és DAC-ot tartalmazó 48kHz mintavételezésre képes WM8731 kodek. A chip I2c és I2S buszokkal kommunikál a processzorral. A kodek a detektorról érkező IQ jeleket fogadja valamint az adó kvadratúra fokozat számára állítja elő azokat.

dsp

 

 

Kezelőszervek

Az előlapon 17 nyomógomb és 4 enkóder (6mm, 25 racsnis) található. Szembetűnő az a három darab tekerőgomb, amik alatt a funkcióik váltását végző nyomógomb kapott helyet. Minden tengelyhez két funkció állításának a lehetősége van rendelve. A kijelző bal felső szegmensében lévő kalibrációs ablakokban szereplő rövidítések és értékek közül az az aktív, amelyik módosítására éppen ki van jelölve valamelyik enkóder.

mchf

 

Készülékház

A ház három részből áll, plusz a gombok nyomtatófájlja – merthogy nyomtatni kell. A közzétett STL egy 3D nyomtatható CAD formátum. Külön van a készülékház és külön vannak a gombok is, amiket megfelelő ismeretekkel át is tervezhetünk, feliratozhatunk. A mintában bemutatott dobozok elég spártainak tűnnek, jómagam inkább egy sajátméretes rackot csinálok, fekete eloxált alumínium előlappal és lézerrel vágott lukakkal, gravírozott feliratokkal. Ennek egyfelől az az oka, hogy a 3D nyomtatás minősége elmarad az elvártaktól, másrészt a későbbiekben vagy rackként, vagy harmadik panelként egy tunert szeretnék építeni hozzá. A tact kapcsolókat hosszabb tengelyűre cseréltem, így az az előlap síkja főlé nyúlik, nem kell bontott gombokat keresgélni föléjük.

 

A kijelző

Ez egy kis fejtörést okozhat, hiszen jelenleg három fajta UI panel van forgalomban, és háromféle kijelző. Az utolsó a 0.3 panel és a B jelzésű LCD. Ennek az az újdonsága, hogy SPI és párhuzamos módokban egyaránt működik, a hátulján a 0 ohmos ellenállásokkal beállított mód szerint 16 bitben kell lennie. Érdemes odafigyelni, hiszen a nulla ohmos ellenállással húzott rövidzár jelölése a 0, a bontásé az 1. A helyes beültetést a panelre is felszitázott nyilak jelölik, érdekessége, hogy az eredeti kép 180 fokkal meg van fordítva a lábkiosztás kedvező sorrendje miatt.