WSPR маяк на Arduino

Хорошая разработка блочного WSPR маяка  на базе модулей ардуино предложена Александром  RA9YER. Ссылка на его блог:

http://ra9yer.blogspot.com.by/2016/05/arduino-si5351-beacon.html

Маяк поддерживает режимы :

— WSPR2
— WSPR15
— JT65
— JT9
— JT4
— ISCAT

Я повторил данную конструкцию и очень доволен ее работой. Для управления Si5351 я использовал  модуль Ардуино мини про.Он имеет малые габариты и доступную цену. Остальные модули не стал заказывать, а изготовил самостоятельно. Для RTC  использовал микросхему DS1307  , по командам она совместима с DS3231, правда с несколько худшими параметрами и отсутствием датчика температуры. Просто у меня оказалась в наличии DS1307  🙂  . GPS модуля на данный момент не было, поэтому, я решил  использовать для  синхронизации  по времени модуль RTC (DS1307). Отсутствие  GPS требовало необходимость частой коррекции времени. Метод установить время немного вперед  а потом по достижению его записывать в контроллер не совсем удобно. Я написал небольшую программу коррекции времени с компьютера. Программа считывает время и дату с часов  компьютера и записывает его в часы реального времени (RTC).

 

СКАЧАТЬ ПРОГРАММУ

Если применять модуль GPS  ,то надобность в коррекции времени отпадает за счет синхронизации маяка модулем GPS точность временной синхронизации очень высокая. Я применил  модуль VK2828U7G5LF TTL Ublox GPS Module  Выбранный мною из за высокой чувствительности и скорости опроса 10 Гц., а также антенны установленной на плате модуля, а не подключаемой отдельно.

Вариант подключения этого или другого GPS модуля будет описан позже,а пока простая конструкция маяка с синхронизацией RTC (DS1307)


Блочная схема маяка :


Схема модуля Si5351

Плата для микросхемы синтезатора SI 5351 с преобразователями уровня и стабилизатором 3 вольта(плата универсальная по отношению к применяемому стабилизатору)

Вид вытравленной монтажной платы и расположение деталей на ней.


  Плата  синтезатора SI 5351  в формате Layout 6.0 
Si5351 Mod 1117 U4
Si5351 Mod 1117 U4
Si5351_mod_1117_U4.lay6
59.5 KiB
18 Downloads
Детали

 

При изготовлении платки синтезатора я сомневался в пайке микросхемы синтезатора Si5351 и хотел заказать на али экспресс платку переходник для этой микросхемы .У Si5351 наг между ножками 0.5 мм. , но монтаж ее особых трудностей не вызвал и я припаял ее обычным бытовым паяльником 40 Ватт.

Платка разрабатывалась под разные типы стабилизатора напряжения 3.3 вольта .Если использовать не регулируемый ,а фиксированный стабилизатор то резистор на массу закорачивается ,а второй резистор делителя просто не устанавливается. Резисторы в делителе стабилизатора я подобрал оптимальные  200 и (330 +10 ком.)

Преобразователи уровня 5 вольт <-> 3.3 вольта  у меня выполнены на полевых транзисторах 2N7002 , выпаянных в большом количестве из материнской платы компьютера (код на корпусе 702).

Выходная мощность модуля без усилителя 10 мВт при токе записанном в программе 8 мА.

В процессе эксплуатации оказалось что маяк имеет дрейф частоты за счет применения в синтезаторе внешнего кварца на 27 мГц.Это критично при работе узкополосными модами ,такими как WSPR .Лучший вариант выйти из этой ситуации -это использовать термостат для всей платы синтезатора на Si5351.

Ссылка на термостат: http://us3mw.000webhostapp.com/?page_id=1093

Часы реального времени (RTC) я собрал на микросхеме DS1307. По термпературной  стабильности лучше применять DS3231 . Готовую плату можно заказать на али экспресс.

Мой вариант платы :

  Скачать в формате Layout 6.0

DS1307 2
DS1307 2
DS1307_2.lay6
21.4 KiB
16 Downloads
Детали

 


Усилитель мощности 0.2 — 0.6 Ватт на 3 х 2N7000

  Скачать в формате Layout 6.0 

Pa3
Pa3
pa3.lay6
30.3 KiB
18 Downloads
Детали

Усилитель выполнен на 3 транзисторах 2N7000 , с применением небольшого радиатора . Мощность в зависимости от диапазона не линейна  28 мГц — 200 мВт ,а  на 7 мГц — 600 мВт на нагрузке 50 ом.

Если использовать транзисторы BS170  их нужно развернуть на 180 градусов так как выводы сток исток у них расположены наоборот .Паспортный ток для 2N7000 —  200 мА, а BS170 — 500 мА. Соответственно на BS170 можно получить немного большую мощность. Главное установить не завышенное напряжение смещения на затворах. По даташит предельное для обоих типов транзисторов 3 вольта , у меня установлено 2.2 вольта .Устанавливать более 3 транзисторов не рекомендуется из за увеличения крутизны и возможного самовозбуждения . Усилитель  можно питать и от 12 вольт, но я применил стабилизатор на 8 вольт. Это увеличило надежность и позволило обойтись без стабилизации напряжения смещения на затворах транзисторов при применении для питания маяка различных блоков питания (с разным выходным напряжением).

Усилитель мощности  на  3 x BS170

Скачать в формате Layout 6.0

Pa3BS170
Pa3BS170
pa3BS170.lay6
31.8 KiB
19 Downloads
Детали

После усилителя мощности , чтобы снизить уровень вне полосных излучений  обязательно использовать ФНЧ   3 или 5 порядка. Схемы и описания его можно взять из интернета. Если использовать диапазоны от 7.0 до 24 мГц,то можно обойтись 2 фильтрами  на 12 и 26 мГц (7 порядка).

7,10 мГц-(ФНЧ — 12 мГц)

14,18,21,24 мГц -(ФНЧ — 26мГц)

Если вы решили использовать отдельный ФНЧ для каждого диапазона ,коммутацию переключающих реле (для 6 диапазонов) осуществляют по этой схеме :

Активное состояние 0-уровень на выходе ардуино, максимальный ток одного порта 40мА  (учитывайте это при выборе типа переключающих реле реле ) или используйте дополнительные транзисторные ключи.


  Частоты  для записи в программу прошивки маяка по диапазонам.

Выбраны середины участков для WSPR режима маяка;

160 м. —— 1.838100 мГц.

80 м. —— 3.594100 мГц.

40 м. —— 7.040100 мГц.

30 м. —— 10.140200 мГц.

20 м. —— 14.097100 мГц.

17 м. —— 18.106100 мГц.

15 м. —— 21.096100 мГц.

12 м. —— 24.926100 мГц.

10 м. —— 28.126100 мГц.


Для настройки согласования с антенной и контроля излучения маяка я использовал простой светодиодный QRP индикатор ВЧ.

Светодиод красный или зеленый ,сверх яркий на напряжение 3 вольта .Индикатор подключается после ФНЧ или антенного тюнера если такой используется. Настройка и контроль согласования антенного тюнера  с антенной производится по максимальной яркости свечения светодиода . Если ярко чрезмерно высокая ,уменьшить конденсатор связи с антенной .


Измерить выходную мощность маяка можно с помощью простого измерителя  мощности подключенного к цифровому мультиметру в режиме измерения напряжения . В таблице указано соответствие напряжения на нагрузке 50 Ом -выходной мощности.

Измеритель выходной мощности


Еще одно полезное приспособление которое я использовал это индикатор тока в антенне .При использовании  антенного тюнера или другого согласующего устройства можно использовать случайные антенны в вид куска провода произвольной длинны. Иногда удобнее при использовании низкоомных антенн измерять не напряжение в антенне а ток .Ниже схема простого индикатора тока в антенне.

Во всех конструкциях лучше применять германиевые диоды ГД 507, ГД508, Д18, Д20  или в крайнем случае Д9.

При применении случайных антенн , в качестве согласующего устройства и трансформации выходного сопротивления маяка (50 Ом), можно применить обычный  П- контур у которого довольно большой коэффициент трансформации.

Так же был опробован Z- тюнер.но он не дал ожидаемых результатов с использованием  случайных антенн. Предпочтение было отдано П-контуру.


При эксплуатации маяка  для оперативных экспериментов, не совсем удобно управление маяком ,а также контроль диапазона, моды и режимов работы при помощи внешнего подключения к ноутбуку или компьютеру с использованием терминальной программы для работы с ком портом. Для этого я немного доработал схему. Дополнил ее LCD дисплеем 16х2 и кнопками (Nb — переход на следующий диапазон), кнопкой He/Hd( Hopping enable/ Hopping  disable включен или отключен) и кнопкой  RESET — сброс маяка . Команды управления через терминальную программу остались без изменений , единственное изменение  команда  ?- это справка по модам и отображение температуры датчика в RTC (часов реального времени).  Кнопкой Nb (Next band — следующий диапазон) можно перебирать диапазоны для следующей передачи  какою вы хотите использовать . Замечание( перебор и выбор диапазона возможен только в режиме не передачи пакета информации, а также еще одна особенность, если Вы использовали моду JT65 которая может работать как по четным так и по нечетным минутам  и Вы не дожидаясь передачи выбрали и изменили диапазон с другой модой например WSPR ,(которая работает только по четным минутам), то передача WSPR начнется с ранее установленной нечетной минутой ! Это не столь важно, просто этот пакет не будет принят корреспондентами  хотя последующие пакеты будут работать нормально.

Кнопка He/Hd( Hopping включен или отключен)- очень нужная и полезная кнопка  для экспериментов с антеннами и для  прочих экспериментов, требующих передачи на одном из выбранных диапазонов без перепрограммирования таблицы мод, частот маяка установленных изначально. Эта кнопка позволяет включить или отключить перебор диапазонов записанных в эту таблицу изначально.

Кнопка RESET  — пояснений не требует, ее значение не столь важно для этой конструкции и ее можно не использовать .

Схема  дополнений маяка :

Схема  дополнений маяка в формате sPlan 7.0 :

Wspr3
Wspr3
wspr3.spl7
28.0 KiB
2 Downloads
Детали

Отображение на LCD индикаторе :

 Это момент перед передачей очередного пакета .Указан диапазон ,ниже мода излучаемого сигнала ,режим хоппинг разрешен и время начала  передачи .

 По достижению этого времени включается передача(надпись TX, за ней идет отсчет времени и мигающий секундный курсор.

 Это уже передача на другом диапазоне и с другой модой.

 Индикация окончания передачи (надпись STOP ,и информация о следующем передаваемом пакете).

 Здесь при включении хоппинг отключен — Hd,  на дисплее изменяется режим с He на Hd. (частота и мода остается постоянной до перехода  в режим He — хоппинг разрешен).


Если при включении питания или нажатии кнопки «RESET«, были нажаты и удерживались обе кнопки  Nb и He/Hd Вы попадаете в режим установка диапазонов (—SET BAND—). В этом режиме кнопкой  Nb осуществляется последовательный перебор всех диапазонов записанных в прошивку маяка . Диапазон  слева в верху ,а справа состояние( ON / OFF) включен или отключен.Если необходимо изменить это состояние ,то кнопкой He/Hd можно выбрать нужный режим. Для перехода на просмотр или изменение следующего диапазона нажимаем кнопку Nb , и так перебираем всю таблицу.Выйти из этого режима в режим основной работы можно нажатием и удержанием кнопки Nb , только по достижению последнего измененного или просмотренного диапазона таблицы маяка 28 мГц , когда вместо нового диапазона появится надпись (ALL BANDS SETTING) примерно на 2 секунды . Если вы не нажали и удерживали в это время кнопку Nb ,то начнется снова перебор диапазонов и только пройдя до последнего можно выйти из режима (—SET BAND—). Если же Вы нажали и удерживали кнопку Nb , Вы выйдите в режим основной работы маяка и те установки которые были изменены будут записаны в память маяка . При необходимости  в дальнейшей работе изменить количество диапазонов на которых Вы хотите  излучать WSPR сигнал , нужно  снова при включении повторить процедуру входа и работы в режим (—SET BAND—).