ERVARINGEN MET DE Si570 ALS VFO

Artikel nieuwsbrief juni 2009 van de Benelux QRP club.

ERVARINGEN MET DE Si570 ALS VFO.

door PA0DKO.

In Funk amateur juni 2008 was een artikel gepubliceerd door DG8SAQ over een hoogwaardige synthesizer met de Si570. De Si570 wordt “bestuurd” volgens het I²C protocol. Sturing vanuit de PC geschied via de USB poort. Een (Atmel) ATTiny45 – 20PU zorgt voor de “vertaalslag” van USB / I²C. Deze synthesizer is uitermate geschikt als locale oscillator voor QSD mengtrappen, zoals toegepast in SDR front-ends. Een probleem is volgens eerder genoemde artikel dat voor het continue verstemmen van de Si570, over een groot frequentie gebied, bij bepaalde frequentie veranderingen, maximaal 10 milleseconden nodig zijn. Het oscillator signaal wordt dan gedurende deze tijd uitgeschakeld. Bij SDR ontvangers welke worden voorzien van een aantal vaste frequenties en de fijn afstemming door de software van het SDR programma wordt gerealiseerd, is dit geen probleem. Wanneer de Si570 de SDR ontvanger continue afstemt liggen de zaken anders. Voor meer info over de Si570, zie het artikel van Ton, PA0KLT in de vorige QRP NB en de data sheet van de Si570.

De Si570 als continue afstembaar VFO.

Volgens Funk amateur resulteert bij continue afstemmen / het over de band draaien in het nodige “afstemgeruis”… De “rekentijd” tussen elke frequentie wijziging is volgens de data sheet maximaal 100 µS en geeft geen onderbreking van het oscillator signaal! Dit voor kleine frequentie gebieden binnen de circa ± 3500 ppm van de DCO frequentie, gezien vanuit de center frequentie van het frequentie gebied. Wordt deze grens overschreden dan moet de DCO in frequentie veranderd worden en de nodige delers opnieuw worden ingesteld. Voor deze handeling is volgens de date sheet maximaal 10 milliseconden tijd benodigd. Wat bleek, is dat deze tijd in de praktijk veel korter is, namelijk 0,2 milliseconden, wat aan de uitgang van de Si570 zal resulteren in een “naald” puls / korte onderbreking van het uitgangssignaal. Door Ton, PA0KLT is een programma geschreven en een hardware ontwerp gemaakt welke dit continue afstemmen mogelijk maakt. De synthesizer is voorzien van een 8 bits microcontroller ATMEG8 (Clock / 8 MHz intern), afstemming geschied met een rotary switch. Een PC voor het afstemmen is nu niet meer nodig. Door Ton werd mij een gebouwd en geprogrammeerd exemplaar ter beschikking gesteld voor het doen van de nodige proeven. Voordelen van de Si570 boven een DDS zijn: eenvoudiger te monteren vanwege het geringe aantal aansluitingen. Zo het zich nu laat aanzien zijn er geen spurious signalen aanwezig, een nadeel(tje) kan zijn dat het IC niet extern geklokt kan worden. De Si570 (Cmos) laat zich afstemmen van 10 – 160 MHz (data sheet), in stappen van 1 Hz of meer. In werkelijkheid is de Si570 afstembaar tussen de 3,5 MHz – 160 MHz. De minimale frequentie van de DCO is 4850 MHz, het grootste deeltal na de DCO is 11 X 128 = 1408. DCO freq. = 4850 MHz : 1408 = 3,4446 MHz. Mijn exemplaar was nog voorzien van de “basis” software. Tijdens de nodige experimenten bleken nog wat probleempjes in de software te zitten maar deze zijn inmiddels grotendeels opgelost. Het frequentie gebied wat mij boeide was dat van 10.8 – 39 MHz, dit voor een ontvanger / transceiver met een middenfrequentie van 9 MHz.

Frequentie stabiliteit.

De stabiliteit wordt bepaald door de kristal oscillator in de Si570. De frequentie hiervan is circa 114.285 MHz. In de Si570 wordt ruim 300 mW omgezet in warmte, hetgeen zal resulteren in enig frequentie verloop. Het volgende resultaat werd gemeten op circa 40 MHz. Meting gestart na 1 minuut. De referentie oscillator (10 MHz) in de frequentieteller is een HP10544A, welke de nodige uren voor de meting was ingeschakeld. De Si570 is gemonteerd in een blikken doosje tezamen met de microcontroller en een µA7805. Toegevoerde voedingsspanning was 8 volt. Omgevingstemperatuur constant. Na circa 2 uren is de optimale frequentie bereikt en schommelt de frequentie een paar Hz rondom deze frequentie.

Meettijd	Gemeten frequentie
Na 1 minuut	39,998.785 MHz
Na 15 minuten	39,998.691 MHz
Na 60 minuten	39,998.670 MHz
Na 120 minuten	39,998.664 MHz

Voor een CW / SSB is de stabiliteit ruim voldoende. Wanneer het frequentie display alleen de honderd tal Hertz laat zien en men kalibreert de Si570 na circa 2 uur dan is de frequentie nauwkeurigheid ruim voldoende. Het afstemmen op een tegen station doet men immers op het gehoor..!

Het uitgangssignaal van de Si570, Cmos.

Het uitgangssignaal uit de Si570 is een blokvormig signaal. De minimale spanning aan de uitgang is circa 0.8 maal de voedingspanning, 3.3 volt typ. I output hoog / laag = 32 mA. Het uitgangscircuit bestaat uit een weerstand, om een te grote uitgangsstroom te voorkomen, een condensator voor de DC scheiding en een impedantie transformatie, Z uit = 50 Ω. Dit resulteert in een blokgolf van 2 volt top top, wanneer de uitgang met 50 ohm wordt belast. Deze belasting moet dan wel ohms zijn! Het uitgangvermogen is van 10 – 40 MHz ruim +10 dBm. Aangezien het signaal blokvormig is, zijn de oneven harmonische behoorlijk sterk aanwezig. De even harmonische zijn sterk onderdrukt. Zie ook de spectrum plot. Het vermogen van het signaal op 10 MHz bedraagt +12.6 dBm en de onderdrukking van de derde harmonische is slechts 10 dB. De tweede harmonische daar in tegen is 60 dB onderdrukt. Spectrum plot 2 laat het signaal op 40 MHz zien, niveau = +12 dBm. Bij een span van 500 Hz zijn geen spurious signalen waarneembaar tot -90 dBc. De ruis rondom de voet van het signaal, is de faseruis van de spectrum analyzer. Tenslotte nog iets over het toevoeren van het signaal uit de Si570 aan een DBM, zoals een SBL1. De blokspanning uit de Si570 wordt dan sterk vervormd. Door de sterke derde harmonische (30 MHz) aanwezig in het L.O. signaal van 10 MHz, zal dit resulteren in de nodige gevoeligheid van de DC RX op 30 MHz. Bij een ingangssignaal van -40 dBm / 10 MHz, zal het laagfrequent uit de DC RX slechts 3 maal hoger in niveau zijn dan wanneer een signaal van 30 MHz / -40 dBm wordt toegevoerd. Wanneer een sinus vormig oscillator L.O. signaal wordt aangeboden ontstaat exact het zelfde resultaat. Wanneer we naar de derde harmonische kijken en we meten “parallel” mee aan de L.O. poort van de SBL1 dan wordt de derde harmonische ruim 30 dB harder bij het aansluiten van het sinusvormige signaal op de L.O. poort van de SBL1! Op de scoop zien we dat het sinusvormige signaal, door het aansluiten op de SBL1, sterk wordt verstoord.

De faseruis.

Op de dag van de amateur liet Jan, G0BBL mij een plot van de faseruis zien van de Si570 op respectievelijk 18 en 41 MHz. Plot 3 toont de resultaten. Deze meetresultaten zijn afkomstig van Eraldo, I4SBX. Naast de metingen van de Si570 ziet U de resultaten van een Marconi 2019A meetgenerator. Bij mij is dit type generator niet bekend, maar de meetresultaten zijn wel uitzonderlijk goed. Verder vermeld Eraldo dat op een afstand van circa 50 kHz van de draaggolf de faseruis circa 10 dB slechter wordt. De reden hiervan is hem onbekend. In het verhaal van PA0KLT wordt vermeld dat de kristal oscillator op 114.285 MHz het signaal van de DCO (4850 – 5670 MHz) “opschoont”, dit over een relatief groot frequentie gebied dankzij de grote PLL loopbreedte. Buiten de loopbreedte van het PLL filter kan / zal de faseruis van de DCO weer toenemen. Het signaal uit de DCO wordt de nodige malen gedeeld (deeltal X), dit voor het verkrijgen van de uiteindelijke uitgangsfrequentie. Dit zal resulteren in een beter faseruis gedrag van de uitgangssignaal, welke volgens de theorie 20log X beter zal zijn. Doch ook het frequentie gebied waar sprake is van dit ‘opschonen” zal door het delen kleiner worden. Daar de faseruis van de DCO buiten de PLL loopbandbreedte kan / zal toenemen, zal dit ook na het deeltal X optreden. Boven omschreven relaas kan de reden zijn van een toename van de faseruis op een afstand van circa 50 kHz van de draaggolf. Dus op het uitgangsignaal van de Si570. Zelf is de faseruis ook eens gemeten en wel met een Drake R-4C ontvanger voorzien van een 800 Hz breed filter na de eerste mengtrap. Het signaal uit de Si570 werd hierbij rechtstreeks toegevoerd aan de eerste mengtrap. Als meetgenerator werd een HP8640A gebruikt. De meting werd uitgevoerd op 14.1 MHz. De frequentie uit de Si570 bedroeg hierbij circa 19,75 MHz (14.1 MHz + IF freq.). De meetmethode is al eens beschreven in QRP NB 118, blz. 11 en 12. Dit resulteerde op een afstand van 5 kHz van de draaggolf in en waarde van circa -150 dBc / Hz. Zaken die het meetresultaat kunnen beperken zijn: De faseruis van de HP8640A (ooit gemeten op 10 MHz, was ruim -150 dBc / Hz, afstand draaggolf 10 kHz), de veraf selectiviteit van het middenfrequent filter en bij een zeer fors signaal op 14 MHz wordt door de HF buis een “AGC “ spanning opgewekt… Overigens kan men als signaalbron beter een kristaloscillator toepassen met daarachter een stappen verzwakker.

De Si570 Cmos als VFO in de praktijk.

De VFO werd toegepast als VFO in combinatie met een Drake R-4C ontvanger en een directe conversie ontvanger. Om direct maar met de deur in huis te vallen het werkt uitstekend! Van het genoemde “afstemgeruis” is absoluut geen sprake. Zoals reeds vermeld zal bij een groter frequentie bereik de DCO opnieuw moeten worden afgestemd, of wanneer men net op de “grens” van het frequentie gebied zit. Dit frequentie gebied is ± 3500 ppm van de DCO frequentie gezien vanuit het midden van zijn werkgebied, De DCO is afstembaar van 4850 – 5670 GHz. Daar de DCO frequentie wordt gedeeld naar de uitgangsfrequentie zal deze ± 3500 ppm ook gelden voor de eigenlijke frequentie die door de Si570 wordt gegenereerd. Dit zou, als voorbeeld, voor 10 MHz circa ± 35 kHz zijn, bij 20 MHz zal dit al circa ± 70 kHz zijn. De vraag is nu, is het verstemmen van de DCO hoorbaar. In combinatie met de R-4C heb ik van het genoemde verschijnsel niets kunnen waarnemen. Bij de DC RX wel, hier hoor je bij vol opengedraaid laagfrequent volume korte “tikjes” uit de luidspreker. Wanneer de VFO wordt afgestemd met frequentie stappen van 10 Hz klinkt de toon uit de luidspreker bij het afstemmen op een draaggolf zeer gaaf. In hoeverre het opnieuw afstemmen van de DCO hoorbaar is op een ontvanger werkend volgens het super principe zal mede afhangen van de “kwaliteit” van het AGC systeem van de ontvanger! De AGC moet namelijk niet aanspreken op zeer korte pulsen… Spurious frequenties zijn niet waargenomen, hierbij werden signalen tot -10 dBm in de SBL1 mengtrap van de DC RX gestopt. Tenslotte hoe lager de gegenereerde frequentie van de Si570 des te beter de faseruis!

Conclusie / slot.

De Si570 is als VFO voor een conventionele ontvanger uitstekend bruikbaar. De hardware is veel eenvoudiger dan een schakeling met een DDS. Er wordt door Ton, PA0KLT nog gewerkt aan de software, om deze completer te maken. Het “hardware verhaal” zal in een volgende QRP NB verschijnen.

Groeten, Douwe PA0DKO.