Stahlradio (9/10), erstes Update

Neu: Frequenzanzeige und digitale AFC

Mein "Stahl-Radio" hat hervorragende Empfangseigenschaften. Verglichen mit einen neueren Halbleitergerät bleiben nur noch 2 Nachteile, die ich jetzt beseitigt habe: eine Frequnzanzeige und eine quarzgenaue Frequenzstabilität.

Frquenzanzeige

Eine mechanische Skala ist leider ungenau, egal wie sorgfältig die hergestellt wird. Eigentlich war ein externer Frequenzzähler geplant. Aus Platzgründen habe ich mich dann aber entschieden, einen Frequenzzähler ins Gehäuse einzubauen. Die Frontplatte wollte ich aber nicht mehr ändern. Der Aufwand wäre recht groß. Also habe ich sehr kleine 7-Segment-Ziffern von HP eingeplant, den Lautsprecher etwas nach unten versetzt und die Ziffernanzeige drüber angebracht. Die mechanische Konstruktion ist etwas aufwändig weil hinter der Frontplatte kaum Platz war. Damit der Digitalismus nicht den eigenen Empfänger stört muß die Schaltung in ein abgeschirmtes Gehäuse. Mit Hilfe meines 3D-Cad ist es aber sehr gut und servicegerecht gelungen.

Frequenzstabilität

Bei selbstgebauten Empfängern mit Röhrenoszillator muß immer mit einer unstabilen Frequenz gerechnet werden. Das Stahl-Radio ist vor allem in den oberen Bereichen am wandern. Deshalb hatte ich von Anfang an eine analoge AFC vogesehen. Die AFC funktioniert auch perfekt. Aber mit 2 Ausnahmen: 1.) bei starken Fading ändert sich auch die Nachstimmspannung. Das kann eine zusätzliche Verschlechterung der Empfangsqualität bewirken wenn sich die Oszillatorfrequnz bereits verschoben hat. Der Effekt wird zwar durch eine große Zeitkonstante im Regelkreis abgeschwächt ist aber bei länger andauerden Fading störend. 2.) Beim Empfang von SSB ist die analoge AFC wirkungslos weil der Träger fehlt. Der Empfang von SSB war nur mit beiden Händen an den Abstimm- und BFO-Knöpfen möglich. Der Frequenzzähler wurde um einen DA-Wandler erweitert. Mit Hilfe der schon vorhandenen analogen AFC-Schaltung (Kapazitäts-Dioden) kann der Controller über den DA-Wandler den Oszillator festhalten.

Die Schaltung wurde nur mit Bauteilen konstruiert, die sich in meiner "Bastelkiste" befinden. Als Controller habe ich einen ATMEGA16 verwendet. Programmiert wurde in Assembler. Die höchste zu zählende Frequenz ist etwa 34MHz. Das kann der ATMEGA nicht mehr ohne Vorzähler. Etwas problematisch war ein fehlender Schmitt-Trigger vorm Zähler U7 (74LS161). Den mußte ich nachträglich auf einer kleinen Lochrasterplatte mit U9 (74HC14) nachrüsten. Ohne den U9 (74HC14) war die Flanke am Pin 2 des U7 (72LS161) nicht steil genug was illegale Zählungen zur Folge hatte. Der Haupt-Oszillator mit der Röhre U20 (ECF12) in der HF-Gruppe wird mit deren Pentodensystem rückwirkungsfrei entkoppelt. Von der Anode der ECF12 geht ein 50R-Kabel zur Buchse X4 des Zählers. Das Signal wird mit Q1 (2N3904) auf etwa TTL-Pegel angehoben und mit U9 (74HC14) versteilert. U7 (74LS161) wird als Vorzähler verwendet. Dessen Ausgang Q2 treibt den 16-bit-Zähler im ATMEGA am Pin T1=PB1. Der Zählumfang des 16-Bit-Timers im ATMEGA reicht nicht aus. Der Überlauf des 16-Bit-Zählers wird in dessen Interrupt-Routine per Software gezählt. Insgesamt ergibt das ein maximales Zählergebnis von 3400000, entspicht 33E140Hex, also 22 Bit. Die Torzeit von 100ms wird mit Timer2 und einen Überlaufzähler erzeugt (Takt / 64 und 250 mal 100 = 100ms). Ergibt eine Auflösung von 10Hz. Das reicht für eine genaue Frequenznachsteuerung vollkommen aus. Angezeigt wird aber nur mit einer Auflösung von 100Hz weil die letzte Ziffer sowieso nicht mehr gut lesbar ist. Wegen der Rauschanteile im Frequenzspektrum flattert die 10Hz- Stelle zu stark. Für die AFC ist das ohne Bedeutung wegen der RC-Siebung im analogen Teil. Die Frequenzstabilität ist trotzdem nahe an 10Hz. Zur Anzeige dienen die zwei 7-Segment-LEDs U3 und U4 (HP-7404). Das sind vier 7-Segmente in ein DIL14-Gehäuse. Von den insgesamt 8 Segmenten werden nur 7 verwendet (6 Ziffern + Dezimalpunkt). Die Anzeige benötigt wenig Strom, 0,5mA reichen schon aus, so daß der ATMEGA keine Treiber dafür benötigt. Angesteuert wird im Multiplex alle 4ms, also für alle 7 Segmente 28ms. Der Takt für den Muxer wird mit Timer0 erzeugt. Abfrage mit Polling, also kein Interrupt. Über die Ports PB5 bis PB7 wird der Multiplexer U8 (74LS138) betrieben. Als Sonderfall erfolgt noch über den Multiplexer U8 (74LS138), Ausgang Y7, der Reset des Vorzählers. Der Controller gibt die Nachstimmspannung über einen parallelen 12-Bit DA-Wandler aus. Der DA-Wandler U5 (AD7541) ist schon etwas älter. Damals hat man die Reihenfolge der Bits an den Pins anders herum gezählt. Darauf bin ich auch prompt reingefallen. Alle 12 Anschlüsse mußten in der Software deshalb gespiegelt werden. Der OP U6 (TL061) wandelt den nur positiven Spannungsausgang des AD- Wandlers nach plus/minus 5V. Betrieben wird der Zähler über den Anschluß X5 mit den im Gerät vorhandenen Spannungen: +20V (Heizspannung für U-Röhren) -85V (Referenzspannung) Stift 3 von X5 ist der Ausgang für die Nachregelspannung. Stift 4 von X5 geht an den Schalter S2 (Frontgruppe) zur Aktivierung der digitalen AFC. Wenn Spannung am Stift4/X4 anliegt erfolgt keine AFC, der Controller merkt sich permanent die gerade gemessene Frequenz. Sobald der Schalter S2 abschaltet, hält der Controller den Oszillator auf die vorgemerkte Frequenz fest. Das funktioniert perfekt solange die Frequenz nur langsam wandert. Für einen kompletten Spannungshub von +/-5V (also 10V) vergehen 4095 mal 100ms, also 409,5 Sekunden. Die Frequnzänderungen im Gerät sind um Größenordnungen langsamer. Daraus entsteht also kein Problem solange man den Abstimmknopf in Ruhe läßt. Der Anschluß X1 ist für den Emulator / Programmierer vorgesehen. Ich verwende den Emulator JTAGICEmkII.

Der mechanische Aufbau

Die Schaltung ist auf einer Platine. Leider mußte ich ein vergessenes IC (U9) zusätzlich auf einer kleinen Lochrasterplatte aufbauen und frei fliegend über der Platine positionieren. Die Entstörung mit LC-Gliedern ist nicht auf der Platine sondern direkt am Steckanschluß für diese Baugruppe. Das Ganze ist auf 2mm Alu-Blech, darüber eine Abschirmung aus 1mm Alu. Der HF-Anschluß erfolgt über einen winzigen Koaxstecker. Die Abschirmung ist perfekt, keine Störungen durch den Controller hörbar.

Abschlußbemerkung

Im praktischen Betrieb bewärt sich der Empfänger. Die Abstimmung erfolgt bei inaktiver AFC sehr schnell mit den Kurbelknopf. Durch Zug am Kurbelknopf wird ein Untersetzungsgetriebe aktiv und ermöglicht eine sehr feine Einstellung. Zusätzlich ist noch eine elektrische Feinabstimmung (mit Poti) vorhanden, die auch bei beiden AFCs funktioniert ohne diese zu behindern. Bei starken Sendern mit Träger ohne merklichen Fadig ist die analoge AFC besser weil man den Sender nicht genau einzustellen braucht. Bei allen anderen, besonders beim Empfang von SSB-Sendern, ist die digitale AFC perfekt. Man muß den Sender genau auf den Punkt einstellen und dann den Schalter für die digitale AFC kippen. Mein "Stahl-Radio" ist ein seltsames, oder besser gesagt ein sehr seltenes Gerät. Alte deutsche Stahlröhren und ein moderner Mikroprozessor. Da treffen sich zwei Welten. Ich hatte nie die Absicht ein historisches Gerät zu bauen oder nachzubauen. Es ist Zufall, wie das Gerät jetzt aussieht und funktioniert. Ich wollte einen sehr guten Kurzwellen-empfänger mit allen Bereichen und (soweit möglich) allen Demodulatoren entwickeln und bauen.

Downloads

Die Schaltpläne sind mit den kostenlosen Programm KiCAD erstellt worden. Alle KiCAD-Dateien stehen hier zum Download bereit. KiCAD ist ein komplettes und nicht eingeschränktes Schaltplan / Leiterplatten Programm. Das kann kostenlos heruntergeladen werden. Wegen der www-Adresse bitte googeln. Die Dateien für den Zähler sind ebenfalls enthalten. Wer KiCad nicht kennt: Die Dateien sind doppelt ge"zip"t. Den Download zuerst ent"zip"en. Folgende 7 nochmal ge"zip"te Projektdateien sind enthalten: DemodulatorGruppe.zip DrehkoGruppe.zip FrontGruppe.zip HFgruppe.zip NFnetzteilGruppe.zip Verkabelung.zip Zaehler.zip KiCAD arbeitet am besten wenn jedes Projekt ein eigenes Verzeichnis erhält. Deshalb bitte 7 Verzeichnisse anlegen und dann die dazugehörende *.zip-Datei hineinschieben. Dann in jedem Verzeichnis die Projektdatei ent"zip"en. Das geht in KiCAD unter "Datei / Archiv entpacken" KiCAD meckert beim Aufruf der Schalpläne fehlende Bibliotheken an. Einfach mit "Abbrechen" ignorieren. Wenns stört: unter "Einstellungen" einfach alle "fehlenden" Bibliotheken entfernen. Unter "*cache.lib" sind die nämlich doch vorhanden. Nur wer zusätzlich was zeichnen will benögt mehr.

Alle Schaltpläne (133kB)

Software für den ATMEGA im Zähler, Quellen und *.hex-Datei (16kB)