Homebrew, Ton-Frequenzdekoder NE567 'Zero Beat', Uli-DL2LTO

Ton-Frequenzdekoder 'Zero Beat'

Projekt: Ton-Frequenzdekoder 'Zero Beat' mit dem NE567

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Einleitende Worte

Auf den Bändern hört man oft QSO’s in CW die auf quasi zwei Frequenzen abgewickelt werden. Sicher wurde kein Splitbetrieb vereinbart. Bist du dir sicher, immer auf ‚Zero Beat’ abgestimmt zu haben? Ich kann die Frage mit einem klaren Nein beantworten, da ich nicht das perfekte Gehör und schon gar nicht Klavierstimmerqualitäten habe, um immer die richtige, fest vorgegebene Tonlage zu treffen.
Das Zauberwort 'Schwebungsnull' soll hier noch mal kurz erläutert werden.
Ein CW QSO hat den großen Vorteil eine sehr geringe Bandbreite von ein paar hundert Hz zu belegen. Aber nur, wenn beide Stationen auf der gleichen Frequenz arbeiten. Wenn zwei Stationen exakt auf der selben Frequenz arbeiten und man beide mischt, ergibt sich die Frequenz Null Hz. Man sagt dann, die Signale liegen auf Schwebungsnull.
Unser RX hat eine fest eingestellte Ablage, so um die 600 Hz. Die muss ich kennen und ich muss jede empfangene Station exakt auf diesen Ablageton einstellen, um transceive zu sein.
Viele Menschen können die absolute Tonhöhe nicht per Gehör einstellen. Da hilft ein sogenannter Spot. Das ist ein Tongenerator, der einen Ton generiert genau in der Höhe der Ablage. Damit wird der RX gespeist. Nun kann der empfangene Ton und der generierte Ton verglichen werden. Sind die beiden Töne gleich, dann senden wir transceiv.
Eine andere Methode ist es, einen Tonanalysator z.B. in Form einer Ton-PLL einzusetzen. Dieser Analsator gibt ein Signal ab, wenn die eingestellte Tonhöhe genau der Ablage des BFO entspricht.
Man muss also den RX so einstellen, dass die Gegenstation genau auf der festgelegten Tonhöhe gehört wird. Das gelingt nur ganz wenigen CW’isten, die sich auf ihr Gehör verlassen können.
Folglich habe ich nach einem geeigneten Hilfsmittel umgeschaut, und gefunden. Die Schaltung ist oft nachgebaut und vielfach modifiziert veröffentlicht worden.
Es ist eine sehr nützliche kleine Platine, deren Elektronik es gestattet auf annähernd ‚Zero Beat’ abzustimmen. Mit den Bauteilwerten, die für den Fangbereich der PLL bestimmend sind, kann ein Toleranzbereich von ca. 5 Hz experimentell erreichbar werden.
Eine bereits ausgreifte Lösung fand ich bei

Bob, K6XX. Darauf baute ich auf und hier ist ein erstes Resultat.

Schaltung

Daten und Blockschaltbild des NE567

Das Innenleben des PLL Frequenzdekoders im Überblick. Unten rechts ist die Beschaltung der wenigen externen Bauteile aufgezeichnet.

Einige Betriebs- und Dimensionierungsdaten:

Betriebsspannung + Ub +5 Volt, maximal +8 Volt

Ausgangsstrom an Pin 8 open collector = max. 100 mA

Eingangsspannung an Pin 3 Ue ~ 20mV bis 200 mV

Frequenzbereich 0,01 Hz bis 500 kHz

Oszillatorfrequenz fo = 1/R1 x C1, R1 sollte zwischen 2k und 20k gewählt werden

Low pass filter C2 ~ 2500/fo für mittleren Fangbereich~10 %

Ausgangsfilter C3 > 2 x C2; R3 ~ 100k bis 1M

Die Platine wird einfach mit der lokalen Spannungsversorgung und dem NF Ausgang des RX verbunden. Hört der RX die eingestellte Tonhöhe leuchtet die LED und zeigt dir, dass du auf der richtigen Frequenz abgestimmt hast. Das war’s.
Die Schaltung benutzt den PLL-IC NE567, um eine Tonfrequenz auszuwerten, spricht sehr schnell an und ist im NF Bereich sehr selektiv bei einem Delta von wenigen Hz.
Der NE567 ist als Ton Erkennungsdetektor dafür sehr gut geeignet. Es werden immer zwei Frequenzen miteinander verglichen, das sind die Eingangsfrequenz an Pin 3 und die interne Oszillatorfrequenz. Bei Phasengleichheit erfolgt eine Signalisierung an Pin 8. Nur die in einer bestimmten Bandbreite liegende Frequenz führt zur Signalisierung. Diese Bandbreitenmittenfrequenz und die Verzögerung der Signalerkennung können mit wenigen externen Bauelementen bestimmt werden.
Über den Koppelkondensator C3 wird das NF Signal eingespeist. C1 und C2 regeln die PLL Bandbreite und die Loopfiltereigenschaften. Die Werte der Kondensatoren sind nicht kritisch und können variiert werden, experimentieren lohnt sich.
R3 in Reihe mit R2 und zusammen mit C4 bestimmen den PLL-Referenzton, der auf den Mithörton des Transceivers abgestimmt werden muss. R3 ist bei mir ein Spindeltrimmer und C4 sollte ein hochwertiger Folienkondensator sein, bitte keine Keramik. Die Frequenzstabilität war erstaunlich gut, plus/minus 2 Hz in einem Test über mehrere Tage.
Mit den hier vorgeschlagenen Werten ist ein Frequenzbereich von ca. 400 bis 1800 Hz möglich.

Ich habe mir noch zusätzlich was geleistet, einen zeitverzögerten elektronischen Schalter. Damit wird die Batterie geschont und der ‚Zero Beat’ Indikator nur dann aktiv, wenn er gebraucht wird. R5 und C8 sind die beiden Bauelemente, die zeitbestimmend für eine Verzögerung sind. Der 2N7000 ist der elektronische Schalter und mit dem Taster wird die Zeitschleife gestartet. Ich erreiche mit den Bauteilewerten ca. 60 Sekunden.
Der Spannungsregler 7805 sorgt für die erforderliche konstante Spannungsversorgung des gesamten Platine.
Die Schaltung wurde in Semi-SMD Bauweise auf einer kleinen gefrästen Platine gelötet.
Die genaue Tonfrequenz kann auf zweierlei Arten eingestellt werden. Am einfachsten geht es, wenn du an Pin 5 mit einem Frequenzzähler messen kannst. Oder zum Testen die gewünschte Tonfrequenz an Pin 3 einspeisen und am Spindeltrimmer drehen, bis die LED leuchtet. Dann noch etwas hin und her optimieren bis die LED genau im geforderten Frequenzraster aktiv wird.
Die Baugruppe konnte noch nicht ausgetestet werden. Ich bin noch am Optimieren.

Platinenlayout

Links die Skizze auf Milimeterpapier. Damit kannst du einen Maßstab von 1:1 mit den Bauelemeten leicht abbilden.
Rechts dann die fertig gefräste Platine. Die Platine ist ca 25 x 60 mm groß. Die Frästechnik hat sich bei mit bewährt, um schnell einfache Layouts zu erstellen. Benutzt wird ein Kugelfräser mit 0,5 bzw. 0,8 mm.

Frequenzdekoder im Detail

Die Baugruppe wurde so gestaltet, dass sie in ein fertiges Gerät sofort integrierbar ist. Die 'Frontseite', linke Abbildung, wird einfach von innen an die Frontplatte geschraubt oder geklebt. Vorher natürlich zwei kleine Löcher bohren. Eines für die LED und ein zweites für den Taster.
Die Platine kann mit einem ordentlichen Layout in SMD viel kleiner gestaltet werden. Aber das war mir für einen Prototyp zu aufwendig.

Baugruppe noch mal aus einem anderen Blickwinkel.

Folgende Bedingungen sind für eine zuverlässige Funktion zu beachten:

	Der Aufbau sollte gegen HF-Einstrahlung entkoppelt werden.

	Die maximale Betriebsspannung des NE 567 ist 8V, mit 7806 oder 7805 stabilisieren.

	Für die PLL ist wegen der Frequenzstabilität ein Polystyrol Kondensator / Metallfilmwiderstand und ein 10-Gang Cermet-Poti zu verwenden.

	Der maximale Eingangspegel darf 200 mVss am NE 567 nicht überschreiten.

	Der Abgleich erfolgt mit dem10-Gang Poti auf die Sollfrequenz und kann mit einem hochohmigen Frequenzzähler an Pin 6 gemessen werden. Hochohmige Tastspitze 10:1 mit kleiner Eingangskapazität verwenden.

	Bei Abgleich ohne Frequenzzähler ist die NF vom Empfänger unter Beachtung des maximalen Pegels an Pin 3 einzuspeisen. Pin 8 des NE 567 schaltet sofort bei erkannter Eingangsfrequenz nach Masse, was durch die LED signalisiert wird.

	Das 10-Gang Poti in die Mitte des Bereiches stellen, an dem die Frequenz sauber erkannt wird.

Zero-Beat, ein Versuch das 'Phänomen' zu beschreiben

Ich versuche es mal an einem Beispiel darzustellen und gehe von einem HF Signal auf 7.030.0 KHz aus. Das ist die Station, welche in Telegrafie CQ ruft und der ich antworten möchte. Ich nehme weiterhin eine ZF von 4.915.2 KHz an, welche im QRP TRX Mosquita-3 benutzt wird.

Das ZF Quarzfilter soll ca. 500 Hz breit sein. Die Signale von 7.030.2 bis 7.029.7 fallen in den Durchlassbereich der 500 Hz. Ich kann meinen VFO also von ca 2.115.0 bis 2.114.5 variieren, um im Durchlassbereich zu bleiben.
Um ein NF Signal zu hören, muss ich das HF Eingangssignal so auf die ZF mischen, dass sich beide Frequenzen NICHT auslöschen.

HF                 RX Mischer        ZF          Mischer          NF
RX 7.030.0 -----------> X --------> 4.915.2 -------> X ---------> 0 Hz Schwebungsnull
                       /|\         [4.915.2]        /|\
                        |                            |
                       2.114.8                      4.915.2
                   [VFO,variabel]                  [BFO]

Hier sind ZF- und BFO Signal gleich. Es ergibt sich somit kein Diffrenzsignal. Ein Ton mit Null Hz entsteht, den ich nicht wahrnehmen kann. Man spricht von Schwebungsnull oder Zero Beat. Damit höre ich aber nichts.
Ich muss einen NF Versatz erzeugen, um einen Ton wahrzunehmen. Das erledigt der BFO, der nun 600 Hz über der VFO Frequenz schwingt, also auf 4.915.8 KHz. Die 600 Hz habe ich festgelegt. Es hätten auch 500 Hz oder 650 Hz sein können.
Nichts einfacher als das. Ich mische also das ZF Signal mit einer festen BFO-Frequenz, die in dem Beispiel 600 Hz höher liegt.

Frequenzfahrplan A

7.030.0 Zero Beat

HF                 RX Mischer        ZF          Mischer          NF
RX 7.030.0 -----------> X --------> 4.915.2 -------> X ---------> 600 Hz
                       /|\         [4.915.2]        /|\
                        |                            |
                       2.114.8                      4.915.8
                   [VFO,variabel]                 [BFO, fix]
                        |
                       \|/
TX 7.030.0 <----------- X <------------------------ 4.915.2
HF                 TX Mischer                     [TX Träger,fix]

Die aus diesem Versatz resultierende Tonhöhe, hier 600 Hz, muss bei JEDEM QSO wieder ausgeglichen werden, wenn ich mit meinem QSO Partner transceive bleiben will.
Aber nun stell dir folgende Situation vor.
Ich drehe an meinem RX und empfange die Station, höre sie mir aber statt mit 600 Hz nun mit 700 Hz, 800 Hz oder sogar 900 Hz an, weil mir das heute angenehmer klingt. Das ist ja machmal so auf den Bändern. Und wie schon anfangs gesagt, mein Gehör ist auch nicht das Beste.

Frequenzfahrplan B

7.029.9 Delta von 100 Hz

HF                 RX Mischer        ZF          Mischer          NF
RX 7.030.0 -----------> X --------> 4.915.2 -------> X ---------> 500 Hz
                       /|\|        [4.915.3]        /|\
                        |                            |
                       2.114.7                      4.915.8
                   [VFO,variabel]                 [BFO, fix]
                        |
                       \|/
TX 7.029.9 <----------- X <------------------------ 4.915.2
HF                 TX Mischer                     [TX Träger,fix]

Frequenzfahrplan C

7.030.1 Delta von 100 Hz

HF                 RX Mischer        ZF          Mischer          NF
RX 7.030.0 -----------> X --------> 4.915.2 -------> X ---------> 700 Hz
                       /|\         [4.915.1]        /|\
                        |                            |
                       2.114.9                      4.915.8
                   [VFO,variabel]                 [BFO, fix]
                        |
                       \|/
TX 7.030.1 <----------- X <------------------------ 4.915.2
HF                 TX Mischer                     [TX Träger,fix]

Frequenzfahrplan D

7.030.2 Delta von 200 Hz

HF                 RX Mischer        ZF          Mischer          NF
RX 7.030.0 -----------> X --------> 4.915.2 -------> X ---------> 800
                       /|\         [4.915.0]        /|\
                        |                            |
                       2.115.0                      4.915.8
                   [VFO,variabel]                 [BFO, fix]
                        |
                       \|/
TX 7.030.2 <----------- X <------------------------ 4.915.2
HF                 TX Mischer                     [TX Träger,fix]

Wie kommt es zu den Ablagen, beim NICHT Transceiv Funken?
Bei Empfang stört mich die Delta Ablage nicht. Aber wenn ich auf die Taste drücke, bin ich beim Senden da noch transceive?

Siehe Frequenzfahrplan A:
Ich möchte eine Station arbeiten, die genau auf 7.030.00 KHz sendet. Meine ZF beträgt 4.915.2 KHz und der BFO schwingt 600 Hz oberhalb der ZF, also auf 4.915.8 KHz. Dann muss mein VFO genau auf 2.114.8 KHz stehen, um die Ablage von 600 Hz zu treffen. Das ist der Idealfall, Zero-Beat. Volltreffer.
Soweit so gut.

Nun zu Frequenzfahrplan D:
Die zu empfangene Station sendet immer noch exakt auf 7.030.0 KHz. Wenn ich diese Station nun aber mit 800 Hz anstatt mit 600 Hz hören will, dann muss ich den VFO um 200 Hz verdrehen. Oder, wenn ich sie mit 900 Hz hören will, dann muss ich den VFO um 300 Hz verdrehen. Siehe obiges Beispiel.
Der Referenz- oder auch Spotton ist aber fest bei 600 Hz!
Mein VFO schwingt, um diesen 'geringen' Frequenzversatz zu erzeugen, etwas höher. Meinen QSO Partner kann ich prima hören. Das kann ich ja im Empfangsfall noch hinnehmen. Da stört mich die von 600 Hz abweichende Tonhöhe der NF-Ablage nicht so sehr.

Nun kommt die spannende Frage. Was macht aber mein Sender, wenn ich der Station antworte, ich auf die Taste drücke?
Der BFO mischt, wie gesagt, gnadenlos mit 4.915.8 KHz, denn er ist ja nicht variabel. Auch der TX Mischer, der den NF Versatz von den eingestellten 600 Hz ausgleicht, ist fix und mischt sich mit der VFO Frequenz.
Und hier hört dann der Spass auf.
Ich sende auf 2.115.0 [2.114.8 + 0.000.2] plus 4.915.2 = 7.030.2.
Ups.
Und schon liegen die beiden Stationen 200 Hz oder mehr auseinander. Ich bin nicht mehr transceive.
Ein ZeroBeat Indikator ist hier sehr hilfreich.

Weitere Infos zum Thema

K6XX CW Indicator