AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika – VFO

AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika (sadržaj):

• Uvod i VFO
• AM modulator
• FM modulator
• Audio limiter
• Antena
• Dizajn uređaja
• Testovi

Zaljubljenici u radio tehniku nerijetko posjeduju veće ili manje kolekcije različitih analognih radio prijemnika koji rade na različitim frekvencijskim opsezima i sa različitim modulacijama. Danas, kada je većina radio komunikacija digitalna, a i preostale analogne veze većeg dometa se s vremenom sve više reduciraju ili potpuno gase, mnogi od tih prijemnika nemaju više nikakvu praktičnu ili uporabnu funkciju. To se posebno odnosi na vojne i komunikacijske AM i FM prijemnike koji rade izvan komercijalnih radio frekvencijskih opsega ili na prijemnike koji rade na LSB, USB, CW i sličnim modulacijama izvan radioamaterskih opsega.

Iz svega proizlazi kako danas više nema motivacije za uložiti trud, sredstva i vrijeme u popravak ili restauraciju takvih starih radio uređaja kada preko njih više nemamo što slušati, posebice ne bez velikih antenskih sustava za prijem dalekih emisija na kratkovalnim i nižim frekvencijskim opsezima. Stoga sam zamislio projekt konstrukcije testnog AM/FM predajnika male snage koji će istovremeno odašiljati različite audio emisije na različitim frekvencijama unutar opsega rada nekog analognog radio prijemnika. Predajnik će dakle simulirati rad nekoliko radio postaja na različitim frekvencijama unutar nekog prijemnog opsega, odnosno simulirati stanje u radio eteru iz vremena kada su praktično svi frekvencijski opsezi bili ispunjeni različitim analognim radio emisijama.

Cilj svega je oživjeti kolekcije takvih radio prijemnika u smislu praktične demonstracije rada sa istima. To bi s jedne strane moglo potaknuti nekadašnje radio konstruktore da se opet upuste u popravke i podešavanja svojih (zaboravljenih) radio uređaja, a sve bi moglo biti jednako tako zabavno i za današnje mlade „digitalne“ generacije. Naime, i sam imam kolekciju starih radio uređaja koja koliko god bila posebna i na prvi pogled vizualno dojmljiva, ipak ne ostavlja dugotrajan efekt na slučajne posjetitelje koji nisu u (retro) radio struci. Sve bi bilo neusporedivo zanimljivije da se svaki takav radio uređaj može na licu mjesta praktično prezentirati. Međutim, nemoguće je svaki radio uređaj iz kolekcije imati spojen na antenski sustav, nemoguće je u bilo kojem trenutku uhvatiti zanimljive radio postaje, a na većini prijemnika se na čitavim opsezima više ni ne može ništa uhvatiti jer su odašiljači na tim opsezima davno ugašeni. Kad bi pak našim malim testnim višekanalnim predajnikom prekrili prijemni opseg nekog prijemnika snimljenim retro-emisijama (vijesti, govori, emisije i glazba iz prve polovice prošlog stoljeća, vojne komunikacije i telegrafija), to bi svakako zadržalo slučajne posjetitelje malo duže uz te radio uređaje i možda potakle zanimanje i želju za dubljim proučavanjem te tehnologije.

U osnovnoj zamisli, testni predajnik bi se sastojao od deset VF oscilatora gdje bi se svakom mogla namjestiti noseća frekvencija u opsegu cca 0,05 – 150 MHz. Ovaj opseg pokriva sve DV, SV, KV i VKV radio prijemnike, dakle praktično sve stare analogne prijemnike za bilo koju namjenu. Svaki od oscilatora bi se mogao amplitudno ili frekvencijski modulirati audio signalom iz nekog zasebnog audio reproduktora. Čitav takav testni radio predajnik mora biti što jednostavniji i što jeftiniji za gradnju, te što lakši za servis i nadogradnju (modularna izvedba). Svi ugrađeni elementi i sklopovi moraju biti lako dostupni za nabavu.

Iako se čini da se navedenim zahtjevima teško može udovoljiti (istovremeno odašiljanje različitih emisija na više frekvencija sa više modulacija), treba imati na umu da radimo testni predajnik vrlo male snage gdje onda glede njegove namjene ne moraju biti posve ispunjeni svi rigorozni uvjeti koji inače vrijede za standardne predajnike i odašiljače većih snaga. Snaga naših predajnika može biti ograničena na domet od nekoliko metara, tek toliko da se pokrije jedna prostorija. Važno je da se takvim uređajem ne krše zakonski propisi i ne stvaraju radio smetnje izvan kontroliranih područja.

Izbor VFO-a

Potrošio sam nekoliko dana na istraživanje Interneta u pretraživanju i proučavanju raznih analognih i digitalnih konstrukcijskih rješenja za VFO, te jednako tako za pronalazak nekog pogodnog namjenskog integriranog kruga ili gotovog modula za VFO koji bi udovoljio postavljenim zahtjevima.

Generalni zaključak je da su gotova rješenja za frekvencije 0,05 – 150 MHz relativno skupa i u svakom slučaju je potrebno više VFO-a (preklopnika opsega) da se pokrije čitav ovaj opseg. Analogna rješenja su posebno nepovoljna jer su to konstrukcijski složeni sklopovi koje je potrebno ugoditi, kalibrirati i spregnuti sa mehaničkim skalama. Namjenski analogni integrirani krugovi za VFO-e na tim frekvencijama se danas već teško nabavljaju i relativno su skupi. Općenito gledano, što vam treba RF sklop za niže frekvencije to će biti skuplji i teže nabavljiv. Najjeftiniji su RF sklopovi za danas široko korištene komunikacijske frekvencije na GHz područjima, posebice na 2,4 i 5 GHz, koji se rade u SMD mikrotehnici.

Što se tiče digitalnih rješenja, tu ima veći izbor gotovih modula DDS generatora sinusnih frekvencija. Takvi moduli dolaze sa osnovnim kontrolerom koji uključuje LCD prikaz te su svojevrsno gotovo rješenje za VFO određenog frekvencijskog opsega. Programski kod je kod nekih primjeraka otvoren, kod drugih je zaštićen, a o time onda ovisi mogućnost modifikacije i prilagodbe VFO-a vlastitom projektu. Međutim, osnovni takvi DDS generatori sinusnih frekvencija do 50 MHz već imaju cijenu oko 40 eura, pa ako vam treba deset takvim modula onda to čitav projekt čini neisplativim.

Mogu se naravno kupiti i napredniji DDS čipovi (moduli) koji izravno generiraju čiste sinusne valne oblike u širem frekvencijskom opsegu. Dobar izbor je primjerice prilično napredni čip AD9959 (Analog Devices) koji se može programirati za generiranje četiri nezavisna ili sinkronizirana sinusna signala do frekvencija 200 MHz. Problem je što osnovni modul sa tim čipom košta oko 65 eura, a onda vaš treba još barem 30 eura za neki jednostavni kontroler (mikroprocesor, displej, kontrole). Bolji takvi moduli sa AD9959 koji uključuju RF filtre, transformatore za odvajanje, bolji softver otvorenog koda i slično koštaju dvostruko pa i trostruko više. Naravno, postoje i jeftinije jednokanalne inačice programabilnih generatora sinusnih frekvencija AD serije:

• AD9833 do 12,5 MHz, cijena oko 9 eura
• AD9834 do 37,5 MHz, cijena oko 17 eura
• AD9850 do 62,5 MHz, cijena oko 19 eura
• AD9851 do 72 MHz, cijena oko 20 eura
• AD9854 do 150 MHz, cijena oko 53 eura
• AD9910 do 400 MHz, cijena oko 59 eura
• AD9954 do 160 MHz, cijena oko 41 euro

Kako god se na sve gleda, kvalitetno rješenje za generiranje deset nezavisnih sinusnih frekvencija opsega 0,05 – 150 MHz ne može biti jeftinije od nekih 300 eura, a onda je potrebno i dobro proučiti koje su mogućnosti amplitudne, a posebice frekvencije modulacije signala iz tih modula.

S druge strane, generatori pravokutnih valnih oblika su daleko jeftiniji i konstrukcijski jednostavniji od generatora sinusnih valnih oblika. Ispada da je puno jeftinije ugraditi neki promjenjivi pojasni ili niskopropusni antenski filtar harmonika za pravokutni signal, nego konstruirati ili tražiti neki VFO sa čistim sinusnim valnim oblikom koji nikako ne može biti ni jednostavan ni jeftin. Pravokutni generator je čak i pogodan za našu primjenu jer harmonici mogu poslužiti kao dodatni kanali za prijem, a s obzirom da radimo sa malom snagom onda ni eventualna izrada nekog jednostavnog antenskog LC filtra neće biti skupa.

Tažimo dakle digitalne relaksacijske oscilatore jer su daleko jeftiniji i jednostavniji od čistih sisnusnih VFO–a.

Prije nekoliko godina japanski radio amater JF3HZB konstruirao je univerzalni digitalni VFO raspona 100 KHz – 160 MHz, koji se sastoji od vrlo jeftinih komponenti i ima grafički lijepo osmišljen displej koji simulira analognu (retro) frekvencijsku skalu. Također su i mnogi drugi radioamateri i konstruktori razvili slične inačice VFO-a koje su modifikacije ili nadogradnje originalnog dizajna JF3HZB ili pak su namjenski i grafički prilagođene drugim specifičnim zahtjevima.

Kod svih ovih projekata se koristi modul sa integriranim krugom Si5351 (Silicon Labs), a to je programabilni CMOS generator takta frekvencijskog raspona 2,5 kHz do 200 MHz. Postoje četiri inačice ovog čipa. Osnovna inačica Si5351A ima tri frekvencijska izlaza koje je moguće programirati na tri različite izlazne frekvencije. S obzirom da čip ima samo dva PLL-a, onda ipak postoje neka frekvencijska ograničenja u mogućnostima programiranja trećeg izlaza. Ostale inačice čipa imaju po 12 frekvencijskih izlaza, a inačica Si5351B je specifična po tome što umjesto jednog PLL-a ima VCO koji može poslužiti za izravnu frekvencijsku modulaciju.

Najjeftinija i najdostupnija je osnovna inačica čipa Si5351A sa tri izlaza gdje čitav modul sa ovim čipom košta oko 2 eura. Druge inačice se puno teže nabavljaju i cijena im je višestruko veća. Tako je primjerice cijena modula sa čipom Si5351B već oko 30 eura. Iako bi u teoriji mogli iskoristiti Si5351B za paralelno generiranje 12 različitih nosećih frekvencija, problem bi mogla biti zasebna frekvencijska modulacija pojedinačnih kanala jer se sve frekvencije dobivaju iz osnovne frekvencije jednog kristala na 25 ili 27 MHz. Frekvencijsku modulaciju možemo tehnički izvesti samo na toj kristalnoj frekvenciji, a onda će svi kanali odašiljati isti audio signal. Također, kako i taj čip ima samo dva PLL-a nakon kojih slijede digitalni djelitelji frekvencije, postoje određena ograničenja glede mogućnosti programiranja svakog kanala na baš bilo koju frekvenciju.

Nakon razmatranja realnih mogućnosti jeftine nabavke ili izrade VFO-a prema našim zahtjevima, odluka je dakle pala na čip Si5351 i neku od dostupnih inačica programa otvorenog koda za odabir i prikaz frekvencije na displeju u obliku digitalnih znamenki i rotirajuće retro radio skale.

Izrada VFO-a (hardver)

Od hardvera za izradu ovakvog VFO-a vam je potrebno slijedeće:

• modul programabilnog generatora takta sa čipom Si5351 – cijena oko 2 eura
• mikrokontrolerska razvojna ploča ESP32 Development kit (ESP32-DevKit) – cijena oko 5 eura
• TFT zaslon 1,8″ rezolucije 128×160 točaka (ST7735 čip) – cijena oko 3 eura
• Rotacijski enkoder s tipkom i četiri tipkala – cijena oko 1 euro
• jedna od inačica otvorenog koda za programiranje ESP32 preko besplatne Arduino IDE platforme

Iako na Internetu postoji puno stranica i snimljenih videa vezano uz konstrukciju VFO-a sa modulom Si5351, kod izrade i programiranja vlastitog primjerka vrlo lako možete naići na neke specifične softverske i hardverske probleme. Razlog tome leži u činjenici što je program za ovaj projekt pisan prije dvije godine, kada su na tržištu bile donekle različite, odnosno danas u određenom dijelu zastarjele inačice ESP32-DevKit ploča koje su radile pod tadašnjim, također danas zastarjelim inačicama upravljačkih programa. Naravno, za pogon modula Si5351 možete koristiti i bilo koju drugu mikrokontrolersku razvojnu ploču i različite izvedbe displeja, no ako niste posebno vješti u programiranju onda ćete svakako ići na kopiju ili modifikaciju nekih već razvijenih projekata.

Danas se može kupiti oko desetak inačica ESP32-DevKit ploča koje se donekle razlikuju u dimenzijama, rasporedu i broju pinova, opremljenosti perifernim elementima i sklopovima, te svakako i u inačici samog mikrokontrolera glede broja pinova te kapaciteta ugrađenih memorija. Za svoj projekt nabavio sam ESP32-DevKit ploču sa čipom oznake ESP32-DevKitC, ESP-WROOM-32, jednostavno jer je bila među najjeftinijima.

ESP32-DevKit ploče dolaze u dvije osnovne verzije: sa 30 pinova ili sa 38 pinova. Dodatnih 8 pinova kod druge verzije služi za povezivanje sa vanjskom FLASH memorijom i nije od važnosti za naš projekt. Međutim, raspored pinova kod ove dvije ploče nije kompatibilan pa to treba imati u vidu ako nabavljate gotove tiskane pločice za povezivanje modula VFO-a koje se nude na Internetu. Također, oznake pinova se mogu donekle razlikovati, no njihov raspored je uglavnom isti na 30 i 38 pinskim pločama.

TFT zasloni 1,8″ rezolucije 128×160 točaka (ST7735 čip) mogu biti dizajnirani za napajanje od 5 V ili za napajanje od 3,3 V. Nekad su bili rašireni zasloni za 5 V, no danas su takvi zasloni rjeđi i skuplji za nabavku te se većinom proizvode oni za napajanje od 3,3 V. Također i ESP32-DevKit ploče rade na naponu 3,3 V iako se mogu napajati i preko 5 V (USB konektor) jer je na ploči ugrađen regulator napona za 3,3 V. Kod displeja raspored pinova može biti različit, opet ovisno o inačici, a i samo označavanje pojedinih pinova (kratice) može biti donekle različito. Jednako kao i kod ESP32 ploča tako je i kod nabavljenih TFT zaslona svakako potrebno provjeriti raspored i oznake pinova jer to ne mora biti isto kod svih inačica (proizvođača) TFT zaslona iako su funkcionalno to isti displeji.

Na Internetu se nude gotove tiskane pločice za spajanje modula VFO-a, međutim prije narudžbe istih provjerite da li su vam dostupne za kupnju ESP32-DevKit ploče sa istim rasporedom pinova i TFT zasloni za iste napone i sa istim rasporedom pinova.

Ja ću ovdje nacrtati shemu spajanja sa TFT zaslonom 3,3 V jer su takvi zasloni danas dostupniji i jeftiniji za nabavu od onih za 5 V. Također, koristio sam ESP32-DevKit ploču sa 30 pinova jer je jeftinija za nabavu od 38 pinske.

Shema povezivanja VFO-a sa 30-pinskom ESP32-DevKit pločom i TFT zaslonom 128×160 točaka (ST7735 čip) za 3,3 V. Napon od 3,3 V za pogon displeja i za modul Si5351 dobiva se preko regulatora 5/3,3 V ugrađenog na ESP32-DevKit ploči.

VFO sastavljen i spojen na eksperimentalnoj ploči prema gornjoj shemi.

Programiranje VFO-a (softver)

Korak 1

Prvo trebate skinuti i instalirati besplatni (open source) Arduino IDE softver sa službenih stranica Arduina (https://www.arduino.cc/en/software). Trenutna inačica je Arduino IDE 2.3.4. To je softver koji će programski kod za VFO pretvoriti u strojni kod i učitati ga u mikrokontroler na ESP32-DevKit ploči.

Korak 2

Nakon toga trebate skinuti i sam program za programiranje mikrokontrolera na ESP32-DevKit ploči koji će oživjeti čitav VFO sklop. Postoji nekoliko inačica tog programa otvorenog koda, a možete ih skinuti sa stranica https://github.com/RSZ-Nld/VFO-1.8-Inch-Retro-scale, kao i sa nekih drugih stranica. Aktualne su inačice programa VFO_CTRL_V5 i VFO_CTRL_V8, no možete isprobati i razne druge inačice. Razlike su u konfiguraciji kontrolnih tipkala, broju memorija, kontroli pojedinačnih izlaza i slično.

Kod preuzimanja morate preuzeti čitave mape sa svim .cpp, .h i .ino datotekama, odnosno svih 15 datoteka koje sadrže ove mape. Kako na GitHubu ne bi morali skidati svaku datoteku pojedinačno, idete na adresu preuzimanja https://download-directory.github.io/ gdje u prikazani prozor kopirate link na kojem se nalaze datoteke, na primjer https://github.com/RSZ-Nld/VFO-1.8-Inch-Retro-scale/blob/main/VFO_CTRL_V8.zip.

Svih 15 datoteka VFO programa potrebno je spremiti negdje na vaš računalni disk u jednu zajedničku mapu. Ako ste skinuli objedinjenu .zip datoteku istu je potrebno raspakirati.

Korak 3

Slijedeći korak je učitavanje VFO programa u Arduino IDE softver:

• File > Open

Otvori se prozor iz kojeg ulazite u mapu gdje ste spremili vaših 15 datoteka i odaberete .ino datoteku (VFO_CTRL_V8.ino) koja će vam i biti jedina vidljiva u toj mapi. Kada kliknete na OPEN, otvoriti će se novi Arduino IDE prozor u koji će biti učitan vaš program sa svim popratnim datotekama.

Korak 4

Slijedeće je potrebno Arduino IDE softveru reći koju mikrokontrolersku ploču koristite. U prozoru ‘Select Board’ izabere se ploča „ESP32 DEV Module“.

Nakon toga je unutar Arduino IDE softvera potrebno instalirati upravljačke programe za ESP32-DevKit ploču. Naime, sa instalacijom Arduino IDE softvera instalirati će se upravljački programi samo za neke od mnogih razvojnih ploča koje softver podržava, dok je za ostale ploče program treba po potrebi učitati naknadno.

Instalacija programa za našu ESP32 ploču će se pokrenuti automatski čim se u prozorčiću za odabir razvojne ploče odabere „ESP32 DEV Module“. Instalacija traje desetak minuta i na kraju će se instalirati najnovije verzije upravljačkih programa za ESP32 ploče. Trenutno je najnovija inačica 3.0.7. Ova inačica neće raditi sa dostupnim programskim kodom za naš VFO (kompilacija koda neće proći bez grešaka), tako da inačicu 3.0.7 moramo zamijeniti inačicom 2.0.5. Zamjena se napravi na slijedeći način:

• Tools > Board > esp32 > ESP32 DEV Module
• Tools > Board: „ESP32 DEV Module“ > Boards Manager
• U prozorčić ‘BOARDS MANAGER’ upišite ‘esp32’
• pronađite paket naziva ‘esp32 by Espressif Systems 3.0.7 installed’
• u prozorčiću paketa umjesto inačice 3.0.7 odaberite 2.0.5
• kliknite na INSTALL
• za desetak minuta će se instalirati inačica ‘esp32 by Espressif Systems 2.0.5 installed’

Korak 5

Sada je potrebno ESP32-DevKit ploču USB kablom povezati sa slobodnim USB portom na računalu. Nakon povezivanja trebali bi se automatski instalirati USB driveri za ESP32-DevKit ploču naziva CH340. Da bi to provjerili idete u:

• Start > Control Panel > Device Manager

U listi ‘Ports (COM & LPT)’ morate imati prikazanu novu ikonu naziva USB-SERIAL CH340 (COMx). Ako u Device Manageru ne vidite ikonu ‘Ports (COM & LPT)’ idete na:

• Action > Add legacy hardware > Next > Install the hardware that I manually select from a list (Advanced) > Next > Ports (COM & LPT) > Next > ostavite selektirano ‘Standard port types’ i ‘Communications Port’ > Next > Next

Sada ćete vidjeti ikonu ‘Ports (COM & LPT)’ i pod njom mora biti ikona naziva USB-SERIAL CH340 (COMx) bez znakova uskličnika ili slično, dakle uredno instalirana. Ovdje je važno da zapamtite koji COM port vam je računalo dodijelilo, u mojem slučaju je to COM4.

Ukoliko nemate ovih ikona vjerojatno ćete CH340 driver (koji USB port emulira u COM port) morati instalirati ručno. Prije toga svakako dobro provjerite da li je USB kabao kji koristite ispravan. Morate imati DATA USB kabao, dakle podatkovni USB kabao, a ne kabao koji služi samo punjenje uređaja preko USB porta jer takav kabao nema povezane podatkovne linije USB porta.

Ako je sve u redu, ponovno se vratite na Arduino IDE i kliknite na prozor ‘ESP32 DEV Module’ te na ‘Select other board and port…’. Otvara se novi prozor gdje u koloni BOARDS opet odaberete ‘ESP32 DEV Module’, a u koloni PORTS onaj COM port koji ste imali prikazan u Device Manageru (u mojem slučaju COM4). Kada kliknete na OK u donjem desnom kutu Arduino IDE prozora umjesto „ESP32 DEV Module (not connected)“ pisati će „ESP32 DEV Module on COM4“.

Korak 6

Sada ste spremni za programiranje vaše ESP32-DevKit ploče. U tu svrhu kliknete:

• Sketch > Upload

Ako prije programiranja želite provjeriti da li će sa kompajliranjem (pripremom programa za učitavanje u mikrokontroler) biti sve u redu kliknete:

• Sketch > Verify/Compile

Ako ne dobijete nikakvu poruku o greški (ispisanu crvenim slovima) možete ići na  Sketch > Upload i za nekoliko sekundi će program biti učitan u ESP32-DevKit ploču.

Tijekom programiranja ne zaboravite držati pritisnutim malo tipkalo označeno sa BOOT koje se nalazi na ESP32-DevKit ploči odmah do USB konektora. Time se aktivira „bootloader mod“ i omogućava učitavanje programa preko USB/COM porta u mikrokontroler. Ukoliko ovu tipku ne držite pritisnutom ili na neki drugi način ne aktivirate bootloader mod (kombinacijom pritiska BOOT i EN tipkala) program se neće moći učitati i dobiti ćete poruku o grešci.

Učitan i pokrenut VFO program.

Testiranje VFO-a

Sada kada je VFO projekt proradio, krećemo sa testiranjem izlaznog signala. Ponovno napominjem da su čipovi serije Si5351 namijenjeni za generiranje frekvencije takta rada raznih mikroprocesora i mikrokontrolera te su u tom smislu relaksacijski, odnosno generiraju pravokutni izlazni napon.

Valni oblik izlaznog signala (opterećenje 50 Ω)

U opsegu do cca 20 MHz izlazni valni oblik izgleda pravokutno, što znači da je i vrlo bogat višim harmonicima.

Negdje od 30 MHz pravokutni oblik se počinje već vidno izobličavati, bočne strmine se naginju jer tranzistori nisu dovoljno brzi da se trenutno prebacuju između dva logička stanja.

Na 70 MHz i više strmine postaju još više nagnute te oblik izlaznog signala počinje sličiti sinusnom (oštrom trapeznom) valnom obliku.

Iznad 100 MHz slignal je već nalik trokutastom valnom obliku jer su promjene logičkih stanja toliko brze da napon ni ne stigne porasti od 0-Vcc, a već se mora smanjiti ponovno na nulu.

Iako se iz ovih oscilograma čini kako čip Si5351 generira različite valne oblike kako frekvencije sve više rastu, to zapravo i nije posve točno. Naime, kao svaki CMOS čip tako i Si5351 ima ograničenje u brzini rada koje kod većine (brzih) CMOS čipova postane izraženo na frekvencijama većim od 30 MHz. To ograničenje u brzini rada je uvjetovano vremenom koje je potrebno tranzistorskim sklopkama da promijene naponske razine kod promjene logičkih stanja. Tako kod promjene logičkog stanja u jedinicu, napon mora porasti od nule do nekog Vcc napona (5 ili 3,3 V). Taj porast napona ne može biti trenutan, nego je za to potrebno neko vrijeme. Isto tako kod promjene logičkog stanja sa jedinica na nulu, napon mora pasti sa Vcc (5 ili 3,3 V) na nulu, a to se opet ne može dogoditi trenutno nego je za to također potrebno neko vrijeme.

Ako sada ponovno pogledamo naše oscilograme, vidimo da u tablici imamo podatke za Rise Time (vrijeme porasta napona od 0 do Vcc) i Fall Time (vrijeme pada napona sa Vcc na nulu). U sva četiri slučaja (sve četiri frekvencije) ta izmjerena vremena su približno ista. Rise Time je oko 4,5 ns, a Fall Time je oko 3,6 ns. To znači da su bočni nagibi valnog oblika kod sva tri oscilograma zapravo jednaki.

Kod prikaza niskih frekvencija, ovi nagibi (bočne crte pravokutnog signala) se čine potpuno vertikalni jer je vremenska baza osciloskopa spora. Međutim, kod prikaza sve viših frekvencija, ovi nagibi postaju sve vidljiviji, jer je vremenska baza osciloskopa sve brža. Kako kod viših frekvencija vrijeme trajanja nule i jedinice postaje sve kraće kraće (gornja i donja crta pravokutnog signala), tako bočni nagibi postaju sve izraženiji u odnosu na sve kraće periode trajanja gornjih i donjih dijelova signala. Možemo reći da su naponi koje generira relaksacijski oscilator zapravo trapeznog oblika (idealno gledano). Kod niskih frekvencija imamo veliki odnos između nagiba bočnih strana prema duljini trajanja gornje i donje strane valnog oblika, pa se napon kada ga promatramo na osciloskopu čini pravokutan. Kako idemo prema višim frekvencijama, taj odnos se sve više smanjuje, te se napon čini trapezast i na kraju trokutast.

Na puno Internetskih videa gdje se snimaju signali sa Si5351 čipa navodi se kako je na središnjem dijelu izlaz čisti sinusni. To nije ni približno točno i da se taj naizgled sinusni signal prikaže u frekvencijskom spektru vidjeli bi da je vrlo bogat harmonicima, gotovo kao i pravokutni signal. Naime, u realnosti oblik signala iz oscilatora nije ni idealno trapezast jer se na brzim prijelazima amplitudnih stanja (uglovi valnog oblika) javljaju dodatna izobličenja, istitravanja i slično. To kreira nove harmonike i složeni oblik zbirnog signala koji na zaslonu osciloskopa na određenim frekvencijama i pod niskim vremenskim bazama može izgledati „zaglađenije“ nego što u stvarnosti jest, odnosno izgleda sinusno. Ako pak skratimo vremensku bazu i signal pogledamo detaljnije jasno će se vidjeti mnoge nepravilnosti toga valnog oblika koji onda jako odstupa od savršenog sinusnog.

Kada su promjene logičkih stanja toliko brze da prelaze tih cca 4 ns koliko je tranzistorima potrebno da preklope napone do kraja, signal postaje trokutast te sa daljnjim povećanjem frekvencije počinje naglo padati amplituda jer napon više ni ne može (ne stigne) doseći maksimalne vrijednosti ni u porastu ni u padu. Ovdje čip postaje neupotrebljiv i kao generator takta jer izlazni signal jednostavno ne dostiže dovoljnu naponsku razinu da bude (sigurno) prepoznat kao logička jedinica ili nula.

U tvorničkim podacima za čipove serije Si5351 stoji da je Rise/Fall Time maksimalno 1,5 ns (tipično 1 ns). Mi smo pak izmjerili da je u našem slučaju  Rise Time 4,1 ns dok je Fall Time 3,7 ns. Ove povećane vrijednosti znače da je čip „sporiji“, a razlog tome je što na kineskim modulima nisu ugrađeni originalni  Silicon Lab čipovi nego kopije. To se vidi i po oznakama na čipu (5351M TC1E80) koje nisu po Silicon Lab specifikacijama.

Da zaključimo ovo objašnjavanje, ako želite biti sigurni da li je neki signal čistog sinusnog oblika, potrebno ga je snimiti u frekvencijskoj domeni, odnodno analizatorom spektra. Čisti sinusni signal će imati jedan jednini izrazito izraženi frekvencijski odziv na nominalnoj frekvenciji bez vidljivih amplituda harmoničkih frekvencija. Takve oscilatore posve čistog sinusnog signala je teško konstruirati u praksi. Idemo zato snimiti izlazne frekvencije iz našeg Si5351 čipa u frekvencijskoj domeni (na analizatoru RF spektra).

Harmonici

Prvo ćemo snimiti harmonike na logaritamskoj dBm skali.

U opsegu do cca 20 MHz gdje je izlazni signal najviše pravokutan očekivano vidimo veliki broj harmonika visokih amplituda. Na slici je snimak signala frekvencije 1 MHz gdje je 300-ti harmonik potisnut tek za 50 dB ispod razine osnovnog signala.

Za osnovni signal na 50 MHz mjerljivi viši harmonici se protežu do frekvencija cca 3 GHz.

Za osnovni signal na 100 MHz mjerljivi viši harmonici se protežu do frekvencija cca 3 GHz.

Za osnovni signal na 160 MHz mjerljivi viši harmonici se protežu do frekvencija cca 3 GHz.

Vidimo kako je signal iz našeg oscilatora bogat harmonicima u čitavom opsegu frekvencija i ti harmonici se protežu do frekvencija 3 GHz i više. Tako ovdje nikako ne možemo govoriti o sinusnim valnim oblicima iz ovog oscilatora ni na kojoj frekvenciji. Sve ovo može na prvi pogled izgledati vrlo loše za radio odašiljanje, no ne zaboravimo da su ovo prikazi harmonika na logaritamskoj skali. Puno realniju sliku ćemo dobiti ako harmonike mjerimo na linearnoj skali gdje se točno vidi koliko su harmonici zapravo po snazi slabiji od osnovnog signala.

Osnovni signal na frekvenciji 1 MHz ima snagu 7,3 mW dok njegov prvi harmonik ima samo 42% te snage (3 mW), a slijedeći harmonik nije jači od 1,8 mW.

Osnovni signal na frekvenciji 50 MHz ima snagu 12,8 mW dok njegov prvi harmonik ima samo 31% te snage (4 mW), a slijedeći harmonik je oko 2,3 mW.

Osnovni signal na frekvenciji 100 MHz ima snagu 12 mW dok njegov prvi harmonik ima samo 28% te snage (3,3 mW), a slijedeći harmonik je oko 1,2 mW.

Osnovni signal na frekvenciji 160 MHz ima snagu 10,5 mW dok njegov prvi harmonik ima samo 20% te snage (2,1 mW), a slijedeći harmonik je oko 0,8 mW.

Iz svega možemo vidjeti kako je harmonička slika očekivano najgora na nižim frekvencijama do cca 20 MHz gdje je izlazni signal gotovo potpuno pravokutan i time najbogatiji harmonicima. Međutim, prvi harmonik je i ovdje za više od pola slabiji od osnovnog signala tako da se njegova snaga može zanemariti u mnogim praktičnim primjenama. Mi ćemo ovdje raditi sa vrlo malim snagama, tako da dvostruko slabiji signali 2. i eventualno 3. harmonika mogu dobro poslužiti za testiranje osjetljivosti prijemnika, dok se viši harmonici vjerojatno neće više čuti ni kod najosjetljivijih prijemnika.

Kako idemo prema višim frekvencijama razlika između snage osnovnog signala i harmonika je sve veća, što je i za očekivati jer se signal iz pravokutnog (harmonicima najbogatijeg) signala sve više oblikuje u druge manje složene valne oblike. To je i logično, jer su na višim frekvencijama razmaci između susjednih harmonika veći, što znači da ih ima manje, pa je oblik signala manje složen. Pod pojmom “složenost signala” mislimo na broj različitih sinusnih frekvencija koje čine signal. Najmanje složen je čisti sinusni signal kojeg čini jedna frekvencija. Najviše složen je čisti pravokutni signal koji je zbroj beskonačno puno različitih sinusnih frekvencija. Svaki šiljak na našim snimkama zapravo predstavlja frekvenciju i amplitudu jedne čiste sinusne frekvencije od kojih se sastoji promatrani valni oblik.

Amplituda izlaznog signala

Što se tiče amplitude izlaznih signala, izlaz smo opteretili sa 50 Ω, te izmjerili prilično jednolike amplitude signala u čitavom opsegu 100 KHz – 160 MHz koje se kreću u rasponu 1,25 – 1,35 Vpp. Digitalni osciloskop sa kojeg su snimke je kalibriran do 100 MHz, no signal smo provjerili i na jednom analognom osciloskopu kalibriranom do 200 MHz i možemo potvrditi da je amplitudna razina izlaznog signala (Vpp) prilično ujednačena kroz čitav frekvencijski opseg. Bez opterećenja se dobivaju amplitude na razini napona napajanja 3,3 Vpp, no one s porastom frekvencije postaju nestabilne i pada im vrijednost. Mi ćemo svakako izlaz koristiti sa antenskim opterećenjem 50 Ω (kako je i predviđeno za ovaj čip).

Što se tiče mjerenja snage signala samo osnovne frekvencije (bez harmonika) tu su fluktuacije nešto veće jer se kroz frekvencijski opseg mijenjaju valni oblici, a time i razine harmoničkih frekvencija koje zajedno tvore određeni valni oblik signala. Tako se izlazna snaga osnovne frekvencije kreće u rasponu cca 7 – 13 mW, ovisno o frekvenciji.

Ono što je za nas svakako važno, to je da i u najgorem slučaju najjači harmonik ima samo oko polovice snage osnovnog signala. Ovisno o frekvenciji snaga najjačeg harmonika iznosi 20-45% snage osnovnog signala. Kao što smo već rekli, za našu primjenu ovo ne bi trebalo predstavljati nikakav problem, štoviše, prvih nekoliko harmonika koji se eventualno mogu čuti kod prijema odlično će poslužiti za testiranje osjetljivosti prijemnika, odnosno za fino podešavanje antenskih i tunerskih kontrola prijemnika.

AM/FM predajnik za testiranje starih radio prijemnika (sadržaj):

• Uvod i VFO
• AM modulator
• FM modulator
• Audio limiter
• Antena
• Dizajn uređaja
• Testovi