Cyfrowy Automatyczny Tuner Antenowy GL100

Software Ver.2.50 - Atmega168 New!
Software Ver.1.00 - Atmega88 Old
Płytka PCB V2.0 (pliki GERBER) New!
Płytka PCB V2.0 (format PDF) New!
Schemat V3.0 (plik PDF) New!
Schemat V2.0 (plik PDF)
Lista elementów V2.0 New!

Zanim zacząłem konstruować własny tuner antenowy miałem okazję pracować z fabrycznymi tunerami. Mają one tą zaletę, że są sprawdzone w działaniu, mają ładne wykonanie i dobre parametry strojeniowe. Niestety są z reguły kosztowne. Nie mniej mają dość ciekawą konstrukcję najczęściej opartą o silniki krokowe przymocowane do pokręteł kondensatorów strojeniowych w przypadku tunerów automatycznych oraz zwykłe pokrętła w przypadku tunerów ręcznych.

Postanowiłem więc samemu skonstruować taki tuner automatyczny, ale bez stosowania skomplikowanych urządzeń obrotowych, opierając się na zwykłych… przekaźnikach. I tak oto postanowiłem zaprojektować tuner antenowy w oparciu o wybrany, znany mi wcześniej schemat prostej skrzynki antenowej.
Przybliżone parametry skrzynki antenowej:

- praca w zakresie 1MHz - 15MHz (opcjonalnie do 30MHz)
- maksymalna moc dostarczona 100W
- sprawność strojenia ok. 90% przy mocy 100W
- wbudowany podświetlany wyświetlacz LCD
- automatyczne przełączanie pasm dla wszystkich radiostacji KF
- pomiar częstotliwości sygnału strojonego
- pomiar mocy wyjściowej sygnału (napięcia w.cz.)
- pomiar współczynnika fali stojącej SWR
- automatyczne strojenie poniżej 10sek. przy dobrze dobranej antenie
- możliwość pracy w trybie bypass
- możliwość regulacji dokładności strojenia
- możliwość regulacji głośności załączania przekaźników
- obsługa tylko przez 3 klawisze
- sygnalizacja LED

I tak narodziła się pierwsza myśl, czy dało by się zrobić skrzynkę antenową na samych kondensatorach załączanych przekaźnikami? Na pierwszy rzut oka pomysł wydawał się prosty, ale i nasuwało się kolejne pytanie, jak zachowają się te elementy przy większych mocach? Czy tak wykonany tuner będzie w stanie stroić się w dolnych pasmach LF i HF? Jak się potem okazało, udało się sprostać tym wymaganiom stosując w obwodach strojeniowych dostępne kondensatory ceramiczne, metalizowane, odporne na wyższe napięcia (U<500V lub U<3kV). Mają one ta cechę, że posiadają mniejszą indukcyjność oraz stosunkowo odporną termicznie budowę.

Zasadniczym elementem tej skrzynki jest podwójny układ rezonansowy zbudowany z 2 kondensatorów strojeniowych połączonych szeregowo ze wspólną cewką podłączoną do masy w standardowym układzie typu "T". Do jednego kondensatora podłączony jest nadajnik, a do drugiego antena. Po włączeniu sygnału PTT prąd płynący w obwodzie szeregowym z kondensatorem C1 i cewką L powoduje odkładanie się napięcia w.cz. na drugim obwodzie rezonansowym, w którym wpięta jest antena do kondensatora C2. Odpowiednie zestrojenie obu kondensatorów do impedancji wyjściowej nadajnika oraz wejściowej anteny (nadawanie) oraz dobranie właściwej indukcyjności cewki do wybranej częstotliwości rezonansowej powoduje, że prąd płynący przez cewkę L ma minimalną wartość. Wówczas prąd w.cz. płynie w obwodzie z anteną do masy. W zależności od stopnia dopasowania pojemności i indukcyjności tych elementów uzyskuje się pożądany współczynnik fali stojącej, który powinien być jak najmniejszy.


Projekt skrzynki antenowej

Tyle teorii. Ale jak to wykonać w postaci elektronicznie sterowanej bez udziału pokręteł? Postanowiłem więc spróbować. Zaprojektowałem więc podobny układ. W miejsce kondensatorów C1 i C2 wstawiłem baterie kondensatorów odpornych na wyższe napięcia. Aby zminimalizować wydzielanie się mocy cieplnej na poszczególnych kondensatorach zastosowałem większą liczbę kondensatorów połączonych szeregowo i równolegle. Przy okazji dobrałem elementy o dostępnych na rynku wartościach.

Obydwa kondensatory „zbiorcze” są identyczne. Ułożone zostały w komplety składające się z 8 grup elementów na każdy zbiorczy kondensator. Każda grupa została podłączona do osobnego przekaźnika. Stosując zasadę wielokrotności liczby 2 w kodzie BCD uzyskałem więc przybliżoną teoretyczną możliwość regulacji pojemności skokowo co 1 pF w zakresie od 0 do 255, przy czym kondensatory zbiorcze powinny mieć maksymalną pojemność ponad 320pF. Dlatego też doświadczalnie do większości z poszczególnych grup elementów dodałem równolegle kondensatory 39pF, 68pF i 10pF zwiększając pojemność całkowitą kondensatora zbiorczego. Takie rozwiązanie przy okazji zmniejszyło zjawisko indukcyjności kondensatorów, ponieważ równoległe połączenie elementów zmniejsza indukcyjność. Jak się później okazało, zastosowane w ten sposób kondensatory wytrzymały moc przyłożoną za nadajnika 100W!
Regulowaną indukcyjność wykonałem w postaci cewki nawiniętej drutem 0,9mm2 (można grubszy) na dwóch sklejonych ze sobą ferrytowych pierścieni toroidalnych. Jako rdzenie pierścieniowe zastosowałem gotowe rdzenie Amidon - 41x28x15mm [A5], łatwo dostępne w handlu. Dwa pierścienie skleiłem ze sobą klejem kropelka. Po wyschnięciu kleju nawinąłem po 2 zwoje na każdą z 12 sekcji cewki L1.

Każdy z końców cewki podłączony został z następnym oraz z wejściem na przekaźnik. W efekcie uzyskałem cewkę strojeniową włączaną sekcjami na zasadzie odłączania kolejnych zwojów na wyjściu cewek od masy. Początek pierwszej cewki został podłączony do masy, koniec ostatniej cewki został podłączony do kondensatorów C1 i C2.

Na koniec tak przygotowaną i przylutowaną do płyty głównej skrzynki cewkę zalałem na gorąco klejem GLUE, aby zapobiec dodatkowym drganiom zwojów drutu w trakcie pacy przy większych mocach oraz w celu zabezpieczenia przed uszkodzeniami mechanicznymi.
Przekaźniki postanowiłem sterować z procesorów. Na początku planowałem zastosować do załączania zwykłe układy TTL lub CMOS z zatrzaskami na wyjściach, ale szybko pomyślałem, że może lepiej było obsłużyć to bardziej elegancko stosując procesory. Takie rozwiązanie zapewniło możliwość sterowania programowaną szybkością załączeń poszczególnych sekcji kondensatorów i indukcyjności.

Na wejściu układu zastosowałem znany z wcześniejszych konstrukcji tłumik sygnałowy 50dB, na wyjściu którego przy podaniu sygnału z nadajnika pojawia się pomiarowe napięcie w.cz. W chwili nadawania sygnał ten zostaje podany na wejście prostego częstościomierza oraz na wejście przetwornika AC, zadaniem którego jest pomiar mocy wyjściowej. Za tłumikiem umiejscowiłem na płytce PCB czujnik pomiarowy fali stojącej SWR. Wykonałem go projektując ścieżki pomiarowe wzdłuż głównej ścieżki sygnałowej z nadajnika. Długość ścieżek pomiarowych równa się w przybliżeniu 3 długościom ścieżki sygnałowej. Diody detekcyjne D1 i D2 wychwytują sygnał w.cz. i podają go na 2 wejścia wzmacniaczy operacyjnych. Dalej wzmocniony sygnał podany jest na 2 wejścia AC procesora.
Częstościomierz zrealizowałem jako bardzo prosty układ składający się z układu wejściowego formującego impulsy wejściowe (Tranzystor T1). Dalej impulsy te są podane na prosty preskaler, gdzie są zliczane przez licznik 74LS90 i dzielone przez 10. Następnie podzielone impulsy zliczane są przez procesor wykorzystując przerwanie Timera w programie głównym pierwszego procesora.

Zasada działania skrzynki jest następująca:

Sygnał z wejścia jest podawany przez obwody strojeniowej do wyjścia skrzynki. Jednocześnie mierzona jest częstotliwość tego sygnału. Układ po detekcji sygnału w.cz. przechodzi w stan analizy i wg stworzonego algorytmu przełącza przekaźniki strojeniowej tak, aby uzyskać jak najmniejszy współczynnik SWR. Tłucze się to trochę jak grzechotka, ale na szczęście nie jest to bardzo głośne stukanie i nie trwa wbrew pozorom długo. Przy dobrze strojącej się antenie udało zestroić skrzynkę w przeciągu paru sekund! Pomiar SWR odbywa się na zasadzie porównania 2 sygnałów ze wzmacniaczy operacyjnych. Stosunek mierzonych 2 napięć U1(fala odbita)/U2(fala padająca) pomnożony przez 10 daje wynik w postaci współczynnika SWR. Czułość pomiarową można skorygować potencjometrami montażowymi P1 i P2.
Układ w zależności od wyłapanego najlepszego współczynnika SWR zapisuje ustawienie C1, C2 i L1 w wewnętrznej pamięci EEPROM dla każdego ze zidentyfikowanych przez częstościomierz pasm.
Do załączania sekcji kondensatorów i cewki użyto łatwo dostępne przekaźniki wysoko-prądowe JQC3FF lub podobne, które z powodzeniem działają w tym układzie. Płytka PCB zaprojektowana została jako dwustronna, z metalizacją otworów i cynowaniem po obu stronach. Na całej wolnej powierzchni płytki zastosowane zostały obszary masy aby polepszyć właściwości ekranujące. Wwersji końcowej solder maska została odkryta w miejscach, gdzie należy dodatkowo pogrubić śieżki lutowiem.
Całość zaprojektowałem tak, aby pasowała do obudowy T-86.
Układ w swojej budowie posiada 3 procesory AVR z serii Atmega88. Procesor U1 pełni rolę głównego kontrolera, procesory U2 i U3 to układy wykonawcze. Wszystkie 3 procesory połączone są ze sobą magistralą I2C TWI.
W celu uproszczenia konstrukcji i zapobieżenia ewentualnym zakłóceniom pracy procesorów wskutek oddziaływania pobliskich pól elektromagnetycznych wykorzystałem we wszystkuch układach U1, U2 i U3 wewnętrzne oscylatory 8MHz. Do pomiaru napięć wejściowych zostało uaktywniono wewnętrzne źródło napięciowe 1,1V.
Procesor U1 mierzy pomiarowe wartości wejściowe, analizuje je i wyświetla wyniki obliczeń na wyświetlaczu LCD. I tak wyświetlone są takie parametry jak SWR, Pwr (moc), MHz (częstotliwość). Dodatkowo na wyświetlaczu wyświetlane są informacje o pasmach.

Działanie algorytmu strojenia

Strojenie można podzielić na 4 kolejne etapy. Każdy z etapów strojenia zależy od poprzedniego, przy czym można na dowolnym z nich zatrzymać strojenie. Dzieje się też tak automatycznie po osiągnięciu wartości SWR ok. 1,01.

Etap 1. Strojenie cewki L1.
Po detekcji sygnału z nadajnika, tuner ustawia C1 na maksymalną wartość cyfrową 255, co odpowiada pojemności ok. 320 pF. Włączone są wówczas wszystkie 8 przekaźników sterujących kondensatorami w sekcji C1. Następnie tuner włącza wszystkie przekaźniki cewek L1_1-L1_12. Indukcyjność sumaryczna cewek ma maksymalną wartość. Następnie tuner zwiera kolejno cewki L1_1, L1_2…L1_12 do masy zmniejszając w ten sposób indukcyjność i mierząc za każdym razem współczynnik fali stojącej SWR. Po osiągnięciu wartość minimalnej L, tuner zmniejsza pojemność C1 o 4 pF. Proces zaczyna się od nowa. I tak kolejno wyszukiwana jest wartość minimalna indukcyjności, przy której współczynnik SWR osiąga najmniejszą wartość.

Etap 2. Strojenie kondensatora C1.
W drugim etapie ustawiona jest ustalona w etapie 1 minimalna wartość indukcyjności L1. Pojemność C2 ustawiona jest na maksymalną wartość 255 (ok. 320 pF). Następnie tuner ustala pojemność C1 również na maksymalną wartość, po czym skokami co1 pF zmniejsza ją aż do wartości 128 (ok. 150pF). W trakcie tego etapu mierzona jest wartość SWR. Za każdym razem kiedy zostaje wykryta mniejsza wartość SWR od poprzednio wykrytej, sygnalizowane jest to mrugnięciem żółtej diody LED (Bypass). Wartość ta jest zapamiętywana. Po dojechaniu do końca zakresu następuje zakończenie lub przejście do kolejnego etapu strojenia.

Etap 3. Strojenie kondensatora C2.
W trzecim etapie wartości C1 oraz L1 są już ustalone w poprzednich etapach. Pojemność C2 ustalona jest na minimum, czyli 1 (1 pF). Tuner zwiększa tą pojemność skokowo co 6 do wartości 255 (320pF). Podczas ewentualnego wykrycia najlepszego dopasowania, identycznie jak w poprzednich etapach sygnalizowane jest to mrugnięciem diody Bypass.

Etap 4. Strojenie C2 względem C1.
Ten etap jest całkowicie opcjonalny. Nie jest on konieczny, ale w skrajnych przypadkach może być pomocny w trakcie strojenia. Polega bowiem na tym, że przy ustalonej wcześniej wartości indukcyjności obie wartości C1 i C2 są zmieniane jednocześnie, przy czym C1 jest zmniejszane o 1 pF, a C2 zwiększane o 1pF od obu wcześniej ustalonych wartości. Jest to równoznaczne z dokładniejszą regulacją „dwoma rękami” pokręteł obu kondensatorów, jednego w lewo, drugiego w prawo jednocześnie.


Montaż mechaniczny i wstępne uruchomienie

W obudowie w płycie czołowej wyciąłem i wypiłowałem odpowiednio pasujące otwory pod wyświetlacz, przyciski i diody LED. Wyświetlacz LCD przylutowałem do płyty głównej skrzynki za pomocą drutów miedzianych.

W tylnej ściance wyciąłem również otwory na gniazda 50omów UC wejściowe i wyjściowe. Po przykręceniu zmontowanej płytki do obudowy przystąpiłem do zaprogramowana procesorów. Umieściwszy procesory w podstawkach podłączyłem dla każdego z nich do wejść ISP na płytce programator i zaprogramowałem układy. Na koniec przykręciłem pokrywę górną.

Odkłócenie pracy przekaźników

W trakcie próbnego uruchomienia tunera przy włączeniu małej mocy z nadajnika nie było problemów ze strojeniem. Jednakże przy zwiększeniu mocy powyżej 20-30W następowało niekontrolowane załączanie się przekaźników wskutek oddziaływania sygnału nadawczego na tranzystory sterujące przekaźnikami.

Dlatego też konieczną rzeczą okazało się odkłócenie tranzystorów. Do każdego tranzystora sterującego przydatne okazało się przylutowanie kondensatora 100nF pomiędzy bazę a masę. Na docelowej płytce PCB zaprojektowane zostały pady lutownicze na masie, do których można przylutować te kondensatory.
Aby skutecznie wyeliminować zakłócenia pracy przekaźników, koniecznym okazało się przylutowanie dodatkowego kondensatora 100nF na końcówce +12V przekaźnika PZ25 względem masy. Jest to centralne miejsce ścieżki zasilającej przekaźniki, które jest wrażliwe na zakłócenia w.cz.

Dzięki temu prostemu zabiegowi wszystkie niedogodności w trakcie pracy tunera ustąpiły. Przekaźniki przestały reagować, a skrzynka zaczęła się prawidłowo stroić przy mocy ponad 100W w dolnych i w górnych pasmach HF.

Ekran nad SWR-metrem

W celu poprawy warunków pracy SWR-metra, doskonałym rozwiązaniem okazało się zastosowanie ekranu w postaci blaszki mosiężnej. Wykonałem go wycinając z kawałka blachy mosiężnej paska, który następnie wygiąłem w kształcie litery U. Na koniec przyłożyłem go nad ścieżką sygnałową i ścieżkami pomiarowymi SWR, lutując go do masy płytki. W przypadku wykonania płytki PCB z solder maską, należałoby dodatkowo odskrobać maskę w miejscach przylutowania blaszki ekranującej. Zastosowanie ekranu poprawiło znacząco działanie SWR-metra, zwłaszcza dla wyższych pasm.

Program dla procesorów

Na tej stronie udostępniony jest skompilowany w kompilatorze BASCOM program przeznaczony dla procesorów, do obsługi skrzynki. Są to 3 pliki – program główny oraz 2 pliki z programami załączającymi przekaźniki, przy czym każdy z plików przeznaczony jest do odrębnego procesora. Aby układ zadziałał, można napisać również program we własnym zakresie. Nie mniej aplikacja stworzona tutaj przeze mnie w zupełności wystarcza na zapotrzebowanie tego urządzenia. Prosty program oprócz bardzo prostego menu posiada funkcje strojące. Strojenie odbywa się na zasadzie analizy wartości współczynnika SWR w trakcie działania pętli programu.

Schemat skrzynki antenowej GL100 w wersji 2.0

Po udanym uruchomieniu prototypowej wersji skrzynki narysowałem schemat. Jest to druga wersja działającego urządzenia.



Każde dostrojenie się do mniejszej wartości SWR sygnalizowane jest mrugnięciem żółtej diody LED. W normalnym trybie pracy dioda ta oznacza tryb bypass. Praca w trybie nadawania sygnalizowana jest zapaleniem czerwonej diody LED. Zielona dioda zaś informuje o gotowości urządzenia oraz o zablokowaniu możliwości automatycznego strojenia. Ma to na celu zapobiec rozregulowaniu zestrojonej skrzynki w trakcie jej pracy.

Parametry w pamięci

Skrzynka posiada kilka parametrów które można skorygować w trakcie pierwszych uruchomień urządzenia. Nie trzeba programować osobno pamięci EEPROM. Po pierwszym uruchomieniu program sam zapisuje domyślne ustawienia. Po kilku próbach można dobrać niektóre parametry pracy. Są to parametry odpowiednio wpisane w pamięci EEPROM pod wymienionymi niżej adresami

Aby zmodyfikować te parametry należy odczytać pamięć EEPROM i wyedytować w pierwszej linijce parametry, w podanych niżej pozycjach.

Wymiar licznika częstościomierza – adres 1 ($01)
Wartość licznika, do którego zliczana jest częstotliwość mierzona. Należy go dobrać doświadczalnie w zależności od posiadanego egzemplarza procesora U1, ponieważ wykorzystuje się tu wewnętrzny oscylator procesora Atmega88. W opisanym egzemplarzu wartość ta domyślnie wynosi 32900.
Szybkość strojenia - adres 3 ($03)
Wartość opóźnienia wyrażana w milisekundach w trakcie skoków do kolejnej wartości dobieranej pojemności lub indukcyjności. Domyślnie wybrana jest wartość 100ms. Im wyższa wartość tym dokładniejszy pomiar skokowy.
Szybkość przełączeń - adres 4 ($04)
Wartość opóźnienia wyrażana w milisekundach w trakcie przełączeń każdego przekaźnika z osobna. Domyślnie jest ustawiona wartość 0. Zwiększając tą wartość można w istotny sposób złagodzić stuki oraz wyciszyć do pewnego stopnia strojenie.
Ilość faz strojenia - adres 5 ($05)
Ilość etapów w trkacie strojenia. Można ustawić 1, 2, 3 lub 4 etapy. Jeśli skrzynka stroi sie dobrze po 1 czy 2 etapach, można wpisać wartość 2, aby ominąć kolejne 2 etapy.
Czułość automatycznego przełączania pasm - adres 6 ($06)
Wartość czułości automatycznego przełącznika pasm regulowana w zakresie 0-255. Im wyższa wartość, tym niższa czułość i tym samym większa odporność na zmiany częstotliwości sygnału.
Opóźnienie automatycznego przełączania pasm - adres 7 ($07)
Wartość opóźnienia automatycznego przełącznika pasm regulowana w zakresie 0-255. Im wyższa wartość, tym większa zwłoka przy zmianie pasma w nadajniku po ponownym wciśnięciu PTT.
Dzielnik częstotliwości - adres 8 ($08)
Wartość podziału mierzonej częstotliwości przez preskaler. Domyślnie ustawiona wartość 10 dla jedengo układu 74LS90 i pracy do 15MHz. Dla pracy w zakresie 30MHz należy wpisać wartość 1.



Kalibracja SWR i strojenie

Przed pierwszym strojeniem należy skalibrować pomiar SWR. W tym celu należy ustawić potencjometry montażowe P1 i P2 na maksymalne wartości. Następnie włączyć tryb BYPASS przyciskiem P2. Przy zablokowanej częstotliwości (świecąca się zielona dioda LED) włączyć nadawanie PTT z sygnałem strojeniowym. Podając sygnał strojeniowy można teraz korygować potencjometrami P1 i P2 wartości napięć z ubu wyjść SWR-metra. Układ pomiaru SWR jest wstępnie skalibrowany. Aby dostroić antenę do wybranej częstotliwości należy najpierw włączyć nadawanie PTT, a następnie odblokować w skrzynce częstotliwość wciskając przycisk P3 tak, aby zgasła zielona dioda. Układ zacznie się stroić. Po zakończeniu strojenia zapala się zielona dioda i wyświetlony jest napis „Ready *”. Po tej czynności wyłączyć nadawanie i włączyć ponownie. Sprawdzić, czy poziom strojenia jest satysfakcjonujący. W przypadku trudności z dostrojeniem, można ustawić nadajnik na częstotliwość nieco przesuniętą i ponowić strojenie.

Dostosowanie do pracy w całym paśmie 30MHz

Jeśli zachodzi potrzeba, można tuner GL100 dostosować do pracy w całym zakresie KF do 30MHz. W tym celu należy dołożyć drugi preskaler 74LS90 pomiędzy pierwszy preskaler, a procesor. Montaż nie jest trudny. Należy wywiercić 1 otworek w płytce PCB obok układu U6 w miejscu pozbawionym ścieżek sygnałowych. Przeprowadzić 1 kabelek krosowy. Następnie przylutować drugi układ scalony 74LS90 „na plecy” układu U6 łącząc końcówki obu układów: 2, 3, 5, 6, 7, 10. Końcówki nieużywane (4, 8, 9, 13) należy odgiąć i skrócić.
Aby nowy układ wpiąć pomiędzy dotychczasowy preskaler a procesor U1, należy w płytce PCB od strony lutowania przeciąć ścieżkę łączącą końcówkę 11 układu U6 z końcówką 6 procesora U1. Końcówkę 11 układu U6 połączyć krosem z końcówką 14 nowego układu dzielnika 74LS90. W nowym układzie końcówkę 1 połączyć krosem z końcówką 12, a końcówkę 11 z przeciągniętym przez płytkę PCB krosem idącym z końcówki 6 procesora U1.
Opisana tu modyfikacja zajęła mi 10 minut pracy. Na koniec należy w pamięci EEPROM ustawić parametr Dzielnik częstotliwości na wartość 1. Domyślnie wpisana jest wartość 10.