Samstag, 21. März 2020

Automatischer Antennenschalter, Teil 3

Das Gehäuse

Nach einer ausreichend langen Testphase und Designüberlegungen, folgte der Einbau der Komponenten in ein Gehäuse.
Ein Kühlrippengehäuse von Proma, mit den Maßen 168 x 110 x 80mm bot ausreichend Platz zum Unterbringen der Bedienteile und der Anschlüsse.

Die Frontplatte:




Als Designelement und zum Abdecken des wenig schönen Displaygehäuses, erhielt die Frontplatte eine 3D-gedruckte Blende aus PLA. Auch eine Halterung für die Frontplatine ist per 3D-Druck entstanden, um unschöne Verschraubungen mit der Frontplatte zu umgehen.




Der Platinenausschnitt für den SD-Kartenslot wird nicht mehr benötigt.




Die Rückseite:




Der SD-Karten Slot ist von der Vorderseite auf die Rückseite gewandert. Damit die SD-Karte leichter einzuführen ist, habe ich den Slot  mit einer Blende versehen (auch aus dem 3D-Drucker). Auch der Abstandhalter des SD-Kartenmoduls wurde ausgedruckt. Damit wurde das Modul an der Seitenwand der Oberschale verschraubt.



Für die Steckverbindungen der Steuerleitungen und der Stromversorgung habe ich auf verschraubbare Verbinder gesetzt, um ein unbeabsichtigtes Lösen zu verhindern.
Die Hauptplatine wurde in die Führungsschinen der Gehäuseunterschale eingelegt und mit zwei M3 Schraube so fixiert, dass sie bündig mit der Schalenkante abschloss. Die USB Buchse des Arduino steht etwas darüber hinaus ud findet in einer entsprechenden Öffnung der rückseitigen Anschlussplatte Platz.




Es folgte die Verkabelung mit Dupont-Steckverbindern.




Ein abschließender Funktionstest, vor dem Verschrauben des Gehäuses.




Die Verkabelung an der Rückseite:




Ready, ...

... steady, ...

...go!


Noch ein kurzes Update der Antennendaten per SD-Karte, um die Testdaten durch die Realität zu ersetzen und nun ist der Automatische Antennenumschalter im Einsatz.

Foto: Vergleich manueller Umschalter vs. automatischem Umschalter

 

[Teil 4: Bedienungsanleitung]
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Donnerstag, 9. Januar 2020

Abgleich Marantz PM8000 Vollverstärker

Ein "verwandter" (gehört meinem Cousin) Marantz PM8000 litt unter Verzerrungen im Class AB Betrieb des linken Kanals. Dies trat auch im Source Direct Mode auf. Die Klangregelung wird dabei umgangen, kann also als Ursache der Verzerrungen schon ausgeschlossen werden.

1. Maßnahme: Testhören



  • erst mit Boxen - die dem Verstärker in keinster Weise gerecht werden, ihn aber auf Temperatur bringen ;-)
  • dann mit Kopfhörer

Ja, die Wiedergabe wird mit der Zeit im linken Kanal unsauber.

2. Maßnahme: Sichtprüfung
  • keine abgerauchten Bauteile
  • keine ausgelaufenen Kondensatoren
  • keine Kondensatoren mit ausgebeulten Gehäusen
  • alle Steckverbindungen fest
  • keine korrodierten Anschlussbuchsen


3. Maßnahme: Ruhestrom-Abgleich und der DC Offset-Abgleich

Sind beide nicht richtig eingestellt, liegt der Arbeitspunkt der Verstärkerstufen evtl. im nichtlinearen Kennlinienbereich und es treten Verzerrungen auf.

Laut Service Manual ist wie folgt vorzugehen...

Ruhestrom Abgleich:

Die Messgeräte sollten möglichst vor dem Einschalten der Versorgungsspannung an die Messpunkte angeschlossen werden bzw. man sollte sich vergewissern, wo die Messpunkte sind. Denn die Erste Messung soll zwischen 30 und 60 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgen.



Messpunkte an den beiden außenliegenden Anschlüssen (Widerstand mit Mittenabgriff), hier z.B. am 3335:

  • Input Selector auf CD stellen, ohne Signalquelle am CD-Eingang
  • Volume auf Minimum stellen
  • Spannungsversorgung (230V~, ±5%) einschalten
  • Spannungsmessung an den Widerständen 3335 und 3337 für den linken Kanal (L)
  • Spannungsmessung an den Widerständen 3336 und 3338 für den rechten Kanal (R)
  • durch langsames Drehen an den Trimmern 3299 (L) und 3300 (R) die Spannungen einstellen.
 
Nach 30 bis 60 Sekunden sollten die Spannungen zwischen 0,3 mV und < 0,4 mV liegen.


Die Spannungswerte sind die gemessenen Werte an den Widerständen 3335 und 3336. Die Werte an 3337 und 3338 wichen um ca. ±0,2 mV davon ab.


Sofort nach dieser Messung:
  • Class A Betrieb auswählen
  • Messpunkte bleiben gleich
  • durch langsames Drehen an den Trimmern 3309 (L) und 3310 (R)  die Spannungen einstellen.



Die Spannungen sollten zwischen 65 mV und < 70 mV liegen.



Die Spannungswerte sind die gemessenen Werte an den Widerständen 3335 und 3336. Die Werte an 3337 und 3338 wichen um ca. ±1 mVdavon ab.




30 Minuten warten ...

  • Class AB Betrieb auswählen
  • Messpunkte bleiben gleich
 
Die Spannungen sollten sie sich bei 18 mV ±3 mV einpendeln.



Die Spannungswerte sind die gemessenen Werte an den Widerständen 3335 und 3336. Die Werte an 3337 und 3338 wichen um ca. ±2 mV davon ab.


  • Class A Betrieb auswählen
  • Messpunkte bleiben gleich
 
Die Spannungen sollten sie sich bei 90 mV ±5 mV einpendeln.



Die Spannungswerte sind die gemessenen Werte an den Widerständen 3335 und 3336. Die Werte an 3337 und 3338 wichen um ca. ±1 mV davon ab.






Abgleich DC Offset-Spannung:

  • Spannungsmessung an den Lautsprecheranschlüssen des linken und rechten Kanals
  • durch Drehen an den Trimmern 3263 (L) und 3264 (R) die Offset Gleichspannung auf < ±10 mV einstellen. Ideal wären 0 V.


Nahe dran:



Damit war der Abgleich abgeschlossen.

4. Maßnahme: Übertragungsmessung



  • magenta: Eingangssignal 10 kHz, CD Eingang linker Kanal, Class AB, Direct Source
  • gelb: Ausgangssignal linker Kanal an 50Ω Lastwiderstand mit aufgedrehtem Volume
  • weiß: Frequenzspektrum 0 - 100 kHz

Bei Verzerrungen hätte Harmonische der 10 kHz Schwingung im Frequenzspektrum erkennbar sein müssen. Da waren keine.


5. Maßnahme: Wieder Testhören

Auch nach einer Stunde - diesmal an brauchbaren Infinity Boxen - keine hörbaren Verzerrungen oder Unsauberkeiten. Aber da jeder ein anderes Gehör hat, ist letztendlich das Urteil meines Cousins ausschlaggebend und der bestätigte, dass sein Verstärker wieder einwandfrei läuft. :-)



Eingesetzte Messgeräte:
  • Digitech DT-4000ZC, 400 mV Messbereich, ±0,5%+5Dig, Auflösung 100 μV
  • PeakTech 3345, 400 mV Messbereich, ±0,5%+2Dig, Auflösung 100 μV
  • Siglent SDS1202X-E

Samstag, 4. Januar 2020

Automatischer Antennenschalter, Teil 2

Ich habe das System auf zwei Platinen verteilt, das Controller Board und das Front-Board. Das Front-Board enthält alle Bedienelemente, das Display und - obwohl nicht auf dem Board platziert - das SD-Card Modul. Zusammenfassend: alles was über die Frontplatte zugänglich ist.


Ein erster Entwurf für die Platzierung der Bauteile:


Als Display verwende ich jedoch ein Dot-Matrix LCD Display mit 2x16 Zeichen und RGB Hintergrundbeleuchtung von Adafruit. Dadurch erübrigen sich die beiden LEDs links neben dem Display.



 
Bis auf zwei zusätzliche Pins ist die Pin-Belegung nahezu identisch mit den üblichen einfarbig hintergrundbeleuchteten Displays, so dass ein Austausch jederzeit möglich wäre. Die RGB-Beleuchtung hat den Charme, unterschiedliche Betriebszustände so sichtbar zu machen, dass man sie auch aus den Augenwinkeln erkennen kann.

Das Display wird mittels eines TWI Moduls angesteuert.
TWI = Two-Wire-Interface (oder I2C = Inter-Integrated Circuit)



Auch die Tasten und die 2-farbigen LEDs werden mit dem TWI verbunden. Dazu verwende ich einen MCP23017-E/SO 16-Bit I/O-Expander.

Das SD-Card-Modul wird via SPI mit dem Controller verbunden.
SPI = Serial Peripheral Interface



Ich habe mich für eine SD-Card im Normalformat entschieden. Micro-SD ist mir in der Handhabung zu fummelig. Die Konfigurationsdateien sind nur wenige Kilobyte groß. Die Speicherkapazität gebräuchlicher SD-Karten wird dadurch also nicht erschöpft.

Apropos fummelig:
Der MCP23017-E/SO hat ein 28-poliges SOIC Gehäuse, also ein SMD. Ebenso habe ich mich entschlossen, alle Widerstände und Kondensatoren als SMD auf die Leiterbahnseite zu montieren. Durch die Schalter, LEDs und das Display ist der Platz auf der Oberseite der Platine sehr begrenzt. Eine Hybridbestückung schuf Abhilfe.


Die Schaltung



Das Board

Maße: 68 mm x 100 mm
SD ist hier ein "Platzhalter" für einen Ausschnitt aus der Platine, in den das SD-Card-Modul eingefügt wird, und zwar im 90°-Winkel, an der Seitenwand des Gehäuses befestigt. Der Kreis daneben wird eine Bohrung für den Ein-Schalter, der leider tiefer ist, als der Abstand der Platine zur Frontplatte.

Bauteilliste:



Der Aufbau

Das Layout stammt noch von einer Vorversion und stimmt nicht zu 100% mit der oben dargestellten Version überein. Manche Fehler fallen erst beim Aufbauen auf. So fehlt JP6 für die Spannungsversorgung des SD-Card-Moduls - nicht notwendig, aber sinnvoll.
R11, der Pull-Up-Widerstand für den RESET-Pin des MCP23017, hatte ich schlicht vergessen und nachträglich aufgelötet.



Das TWI-Modul des Displays habe ich nicht direkt verlötet. Eine abgewinkelte Buchsenleiste lässt sich problemlos auf die Pads auflöten. Das Modul wird somit steckbar.



Eigentlich sind diese Module dafür gedacht, sie direkt von hinten mit dem Display zu verlöten. Da mein Display aber schon mit einer Stiftleiste bestückt war, hätte ich diese dazu entlöten müssen. Die Aufsteckvariante gefiel mir besser und brachte mehr verfügbare Bestückungsfläche auf der Platinenunterseite.



Verbindungen:


Funktionstest:

Die Firmware benötigte noch geringfügige Anpassungen und läuft nun.
Z.B. könnten für das 20m-Band die Antennen 3-5 genutzt werden. Vorgegeben und automatisch ausgewählt wird Antenne 3 (Dipol 20), erkennbar auch an der gelben LED. Die grünen LEDs zeigen an, welche Antennen für das 20m-Band noch in Frage kämen. Diese können dann durch Tastendruck ausgewählt werden.



Bis hierhin funktioniert es technisch schon mal. Als nächstes erfolgt der Einbau in ein Gehäuse und die Verkabelung mit den externen Steckverbindern. Eine Programmbeschreibung folgt.

[Teil 3...]

Freitag, 27. Dezember 2019

Automatischer Antennenschalter

Bisher musste ich die Antennenauswahl via Fernumschalter manuell durchführen. Dabei ist es jedoch nicht selten passiert, dass ich die falsche Antenne gewählt habe, oder einfach bei Bandwechsel den Antennenwechsel vergaß.
Die Folgen: hohes SWR und vor allem wenig abgestrahlte Leistung, da der Wirkungsgrad der "falschen" Antenne gering ist. Und so wundert man sich, dass keine Verbindungen zustande kommen, bis der Blick auf den Antennenwahlschalter fällt.

Ein automatischer Antennenumschalter (Controller) ist die Lösung, denn die Informationen, um die richtige Antenne zu wählen, liefert mein Sender - YAESU FTDX1200 - über die CAT-Schnittstelle.

CAT = Computer Aided Transceiver

... ist ein Kommunikationsprotokoll auf Basis des seriellen RS232 Übertragungsverfahrens. Alle Parameter, die via CAT abgefragt oder konfiguriert werden können, sind im FTDX1200 CAT Operations Manual dokumentiert.


Anforderungen:
  • passend zur Außeneinheit des Fernumschalters: mindestens 5 Antennen schaltbar
  • galvanische Trennung zwischen Transceiver und Controller
  • Betriebsspannung 13,8 V DC
  • Anzeige der aktuellen Bandes und der genutzten Antenne
  • Anzeige alternativer Antennen
  • Anzeige Sende-Status
  • Verriegelung während des Sendens (keine Umschaltung möglich)
  • Konfigurationsmöglichkeit 
  • Beibehaltung der Konfiguration nach Abschaltung
  • Transparente Durchleitung der CAT Kommunikation

System-Design:


Der Controller wird in die CAT-Verbindung zwischen FTDX1200 und PC geschaltet. Findet eine CAT-Kommunikation zwischen PC und FTDX1200 statt, z.B. weil ein FT8-Programm läuft, soll der Controller diese Kommunikation "belauschen". Ist der PC nicht aktiv, muss der Controller selbst aktiv werden und passende CAT Requests an den Transceiver schicken.



Kern des Controllers ist ein Mikrocontroller, hier in Form eines fertigen Arduino-Boards, des Arduino Nano Every. Dazu später mehr.
Die RS232-Signale werden durch Wandler in TTL-Spannungspegel umgesetzt, damit der Mikrocontroller sie verarbeiten kann. Eine galvanische Trennung ist bei TTL mittels Optokopplern einfach zu realisieren. Die Stromversorgung wird mit einem DC-DC Wandler entkoppelt. Während der Mikrocontroller und seine Peripherie mit +5V versorgt werden, soll die Schaltstufe 13,8 V und 160 mA liefern, um die Relais in der Ausseneinheit zuverlässig anzusprechen.

Soweit die Theorie.  Ein erster Test sollte zeigen, ob und wie sich die CAT-Kommunikation auswerten lässt, um auf dieser Basis eine Entscheidung zur Antennenwahl zu treffen.



Da mir nur ein FTDX1200 zur Verfügung steht, beschränkt sich die Auswertung auf dessen CAT Befehlssatz. Die Befehlssätze anderer Geräten unterscheiden sich vermutlich etwas.
Bei der Kommunikation mit PC-Programmen habe ich mich auf Ham Radio Deluxe 5.24.0.38, JTDX v2.1.0-rc141 und WSJT-X v2.1.0 beschränkt. Andere Programme kommen bei mir derzeit nicht zum Einsatz.

Die CAT-Auswertung beinhaltet nur die Sendefrequenz, die in den Kommandos FA, FB oder IF enthalten ist, abhängig davon welches Programm läuft, bzw. ob der FTDX normalen oder Split-Betrieb macht. Dies genügt, um das gewählte Band zu erkennen und eine Entscheidung für die Antennenauswahl zu treffen. Ob Split-Betrieb vorliegt, kann man mit dem TX Kommando abfragen.

Bei der Auswertung des Kommunikationsprotokolls ist ein Saleae Logic Analyzer hilfreich. Hier die Darstellung eines CAT-Requests vom Controller und die Antwort des FTDX:



Ein weiteres unentbehrliches Werkzeug ist ein Jumperboard zum Auftrennen und Messen der RS232 Signalleitungen.



Die Flachbandkabel sind mit einem Sub-D Stecker (X1) auf der einen Seite und einer Sub-D Buchse (X2) auf der anderen Seite abgeschlossen. An die Pins von JP1 und JP3 kann z.B. der Logic Analyzer angeschlossen werden.
Bei JP2 wird die Verbindung der Leitungen mit Jumper hergestellt oder bei Bedarf getrennt.
 
Die Controller-Schaltung

Der Signalpfad von links nach rechts:


Die Signale TX (gelb) und CTS (orange) werden von der CAT-Schnittstelle des FTDX1200 gesendet, RX (grün) und RTS (violett) empfangen. Jeweils ein MAX232N (IC1 und IC2) wandelt FTDX-seitig und PC-seitig das RS232-Signal in ein TTL-Signal um. Die Optokoppler OK2...OK5 sorgen für die galvanische Trennung zwischen PC und FTDX. Dazu ist jedoch auch erforderlich, dass die Spannungsversorgung getrennt wird. Dies übernimmt der DC-DC Wandler V2, ein TME0505S von Traco Power.
An der Tuner-Buchse des FTDX kann das Signal TX_GND (blau) abgegriffen werden. Wenn der FTDX sendet, wird der Pegel von TX_GND gegen GND gezogen, also LOW-Pegel. Sendet er nicht, so erhält TX_GND über R3 als Pull-Up-Widerstand (HIGH-Pegel). Die Trennung erfolgt über OK1.
Die Auswertung der Signale erfolgt durch den Mikrocontroller.



Der Mikrocontroller (oben rechts im Gesamtschaltplan) schaltet entsprechend der Antennenkonfiguration die Relais K2...K6. Relais K1 schaltet das TX Signal im PC Mode zum PC durch. Dies und die Dioden D1...D3 verhindern, dass die Interfaces des Mikrocontrollers und des PCs sich gegenseitig die Ausgabe-Pegel von HIGH auf LOW ziehen.

Die Verbindung zum Frontpanel erfolgt via TWI-Schnittstelle (I2C). Parallel dazu verlaufen Leitungen für die Display-Beleuchtung und für ein SD-Card Modul.
Via SD-Card ist das Anpassen der Antennenkonfiguration möglich.

Die Relaiskontakte von K2...K6 schalten 13,8 V zur Außeneinheit durch. Ein TMR1211 von Traco Power trennt die 13,8 V galvanisch und transformiert sie auf +5 V zur Versorgung der Controller-Schaltung.

Das Controller-Board



Maße: 83 mm x 100 mm

Bauteilliste


Auf R1 und JP4 habe ich bei der ersten Bestückung verzichtet. Mit diesen Bauteilen könnte ein Standby implementiert werden, was ich vorerst nicht brauche.


Arduino Nano Every




Die ersten Versuche habe ich mit einem Arduino Uno und einem Arduino Mega 2560 durchgeführt. Ursprünglich wollte ich nur einen ATmega328P-PU einzusetzen. Der Platzbedarf ist jedoch  unwesentlich geringer, als bei einem Arduino Nano Modul. Die Wahl fiel letztendlich auf den Arduino Nano Every, der den gleichen Footprint wie der Nano hat. Der Hauptgrund für die Wahl war der Speicher. 



Die ersten Programmentwürfe mit EEPROM Speicherung ließen erkennen, dass besonders der SRAM beim Nano knapp werden könnte. Zusäzlich erlaubt der Nano Every die Nutzung von A6 und A7 als digitale Ausgänge, was ein gefälligeres Board-Design ermöglichte.

Die fertige Platine, ...


... deren Test ...



... und eine erste Idee, wie die Frontplatte aussehen könnte.



Doch vorerst ist es noch nicht soweit. Die Firmware läuft zwar schon mit allen Wunsch-Features, die Tests sind jedoch noch nicht abgeschlossen. 
Und manchmal plagt mich noch die ein oder andere "dumme Idee", die evtl. Auswirkungen auf das Frontplatten-Design haben könnte. Die muss dann natürlich erst implementiert, getestet und verworfen werden. ;-)

[Teil 2 ...]