| |
G8MNY > TECH 28.11.08 08:46l 294 Lines 14548 Bytes #999 (0) @ WW
BID : 9775_GB7CIP
Read: GUEST
Subj: 198kHz Off Air Standard
Path: IZ3LSV<IK2XDE<F5GOV<CX2SA<GB7CIP
Sent: 081128/0103Z @:GB7CIP.#32.GBR.EU #:9775 [Caterham] $:9775_GB7CIP
From: G8MNY@GB7CIP.#32.GBR.EU
To : TECH@WW
By G8MNY (Updated Apr 08)
(8 Bit ASCII graphics use code page 437 or 850)
I currently use an analogue TV lock reference system (see my buls on "Off Air
lock for Ref Osc") for calibrating RF gear, but as analogue TV will end in the
not too distant future in London, I took the opportunity to buy someone's old
homebrew veroboard construction version of the BBC 198kHz LW off air reference
project. (from a Practical Wireless article Dec 1995 by G8JVE, to go with the
Robin counter & follow up Oct 1998). This type of design might be usable in
other parts of the world if there are suitable accurate LW or MW stations.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
ÉÍ͵External Active Ferrite Rod Aerial³
º ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
ÚÄÐÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³ Manual ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ Ref Freq ³
³ o .-. ³ Meter ³ .-. ³
³Power ( ) ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ( ) ³
³ o '-' CZ =o Sig '- ' ³
³ Not o o Lock (ù) ³Output
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
WHY WAS IT CHEAP?
Well it sort of worked, but there was far too much Phase Shift Keying on the
reference output following the low speed PSK DATA on the 198kHz broadcast. (PSK
used for U.K. power meter control?) As well as that it was quite insensitive
despite an extra RF buffer stage over the original article. It also had a
rearranged divide chain (same ICs) to give more useful reference frequencies.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄÄ¿
³External³ ³ RF ³³ ³³ 2kHz ³³ IF³³ IF ³³ IF ³ Rx ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ Lock
³ Active Ã>´BufferôMixerô LC IFôAMPôTuned ôLimiterÃÄÄ>ÄÄ´ ÃÄLED
³Ferrite ³ ³ ³³ ³³Filter³³x10³³Filter³³ x100 ³2kHz ³ Phase ³
³Rod Ant ³ ÀÄÄÄÄÄÄÙÀÄÄÂÄÄÙÀÄÄÄÄÄÄÙÀÄÄÄÙÀÄÄÄÄÄÂÙÀÄÄÄÄÄÄÄÙ ³ComparatorÃÄ>¿
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ³200kHz S meter Local ³ ³ ³
ÀÄÄÄÄÄ<ÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄÄ>ÄÄ´ ³ ³
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄ¿ ÚÄÄ¿ ÚÄÄ¿³ÚÄÄ¿ ÚÄÄ¿ÚÄÄ¿ ÚÄÄ¿³ÚÄÄ¿2kHzÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ ³
³Variable³³ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³³³ ³ ³ ³³ ³ ³ ³³³ ³ ÚÄÄÄÄÄÄÁÄ¿
³ 10MHz ôBufferôö2ôö5ôö5ÃÁ´ö2ôö2ôö5ôö5ÃÁ´ö2ÿ ³Multiple³
³Xtal Osc³³ ³³³ ³³³ ³³³ ³ ³ ³³³ ³³ ³³³ ³ ³ ³³ ³ Slow ³
ÀÄÄÄÂÄÄÄÄÙÀÄÄÄÄÄÄÙ³ÀÄÄÙ³ÀÄÄÙ³ÀÄÄÙ ÀÄÄÙ³ÀÄÄÙÀÄÄÙ³ÀÄÄÙ ÀÄÄÙ³ ³ Loop ³
³ 10MHz 5MHz 1MHz 100kHz 10kHz 1kHz ³ Filter ³
³AFC Frequency reference/marker outputs ÀÄÄÄÄÄÄÂÄÙ
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ<ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
FAULTING
On testing I found the mixer was hard clipping very early, & carefully
following the circuit I found it was incorrectly biased, due to uncut track!
Fixing that showed me there was room for improvement here. I noticed there was
2kHz IF beats on several of the Mixer bias points, I changed decoupling caps
from u1 to u47 & reduced the input symptoms. The RF buffer was rebuilt to a
simpler less lossy circuit. (see below)
The problem with the PLL was initially crudely solved with a 100uF & series 2k2
across the AFC line, then it gave a steady 10MHz note.
IMPROVEMENTS
1/ PLL Filter
Looking into the PLL jitter problem, there was a very high Z circuit using a 40
Meg ohm (4x 10m) as the R for a 40 second time constant. This obviously was not
working correctly on this layout, possibly due to leaky old PCB or varicap
diodes. (also discussed in the follow up article)
Anyway I redesigned that bit using electrolytics, something the original
designer avoided. But by using 2 identical electrolytics in series across the
5V power rail, I solved the most of the leakage problem & gained instant half
rail AFC voltage on power up, for fast lock up time.
+5VÄÄÂÄÄÄÄ
+³100u 4x 1N4148
=== ÚÄ´<ÃÄÄÂÄ´<ÃÄÄ¿ Scope
Varicap ³ ³ ³ ³ o IC CD4046
AFC <ÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄ)ÄÄÄÄÄÄÄÅÄ´>ÃÄÄÅÄ´>ÃÄÄÅÄÄÄÂÄÄÄ20kÄÄÁÄÄ< Phase Comparator
ÃÄÄ2k2ÄÄ´ ³ ³ ³ ³ Pin 13
³ ³ ÀÄÄ1MÄÄÁÄ220kÄÙ ³ 1u
=== +³100u ===
u1³ === ³
ÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄ
I enhanced the variable CR system with 2 more diodes & another resistor, so out
of lock you now have 20k to 200uF (4S), at ñ1V from lock it adds a 220k (50S),
& then at less than ñ0.5V adds a further 1M (200S).
The 20k & 1u (20mS) is needed to remove the 5V 2kHz IF pulses & reduce the
residual 12.5Hz phase shift data to below 0.5V ripple. This however is a loop
time constant that would oscillate, so the 2k2 is added in series with the
larger C to damp this oscillation, but the R is not to big as to let through to
the AFC line, any significant amount of the PSK data. The u1 is used close to
the varicap diodes & keeps down any stray hum etc.
At lock, the scope point using a ö10 probe or on AC, & locked to a fraction of
50Hz mains (e.g. 12.5Hz) you see.
_
+5V ³³³³³³³³³ 2kHz phase
³³³³³³³³³ correction
³³³³³³³³³ needle pulses \/ PSK Data
..ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÄ-...__________.. Ripple Under
Mean 2.3V/ ³³³³³³³³³ /\ 0.5V Swing.
³³³³³³³³³
0V_ ³³³³³³³³³
SLOW P.S.K. DATA
/~~~~~~~~~~~\____________/
The PSK data pulls on the stored AFC voltage several times a seconds. A steady
2.3V is obtained with Xtal trimmer preset. With an SSB Rx you can hear the
10MHz osc settle down to a stable note after several diminishing 4 second
cycles.
_
Off ~\ .-. _._ Power
Lock ³ / \ / \__/~~Äú..úÄú-- Up Ú.__.-Ä-ú..ú-úÄ---
\__/ '-' ³
----------- 60 seconds ------------ --- 30 seconds ---
2/ There was an ugly hole in the box & a S meter/centre zero meter & switch
fitted, so I developed a circuit for these, a manual Centre Zero mode with a
pot to fill the hole. (I did not have the follow up article then!)
Varicap
AFC
pot ÚÄ27kÄÄ´ oÄÄÄ< S meter circuit
+5V on/off ³ \³/ Loop Green ______/
Ào\___o\__ÃÄÄÄÄÄ47kÄÄ6k8ÄÂÄ<Filter LED ³ oÄÄÄÄÄ22kÄÄÄ>CD4046
³ Pot ³ AFC ³ ³ CZ mode Pin 2
³ ³/ ³/ /~~~\
ÃÄÄÄÄÄÄÄÄ3k9ÄÄÄÄÄÄÄ´ T1 ÚÄ´ T2 ³Meter³
³ ³\e ³ ³\e \___/
³ _³_ ³ _³_ _³_
³ ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄ3k9ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
The switched log pot I used had a double make, & I needed a changeover. Leaving
the pot in circuit & using T1 to short incoming AFC line I achieved the same
function, & T2 shorts out the Green in lock LED to indicate it is in manual off
lock mode.
As the pot was a log volume one the varicap angle-frequency action was not
quite linear (needed square law?) so 27k was put from the max end to centre &
6k8 to the switched ground, this gave a really even feel to the offset (ñ5Hz @
10MHz) with a 2.3V centre.
The Centre Zero meter action was take from pulses directly from the unused IC
pin 2 via a 22k to set the meter sensitivity. If you scope that pin see.
ÚÄÄÄ¿ ÚÄ¿ÚÄÄÄ¿
³ ³ ³ ³³ ³ The average changes a little depending on the two 2kHz phases.
Ù ÀÄÙ ÀÙ
3/ I found the LC filter after the mixer was heavily loaded by the OpAmp 10k
ohm circuit negating the high Q possible, this may have been partly due to
different component values. Anyway I rewired the OpAmp for high Z & reduced the
gain from 10 to 3.9, now the Q is much greater (narrow bandwidth equals much
less AM on the 2kHz carrier!)
+12V ÂÄÄÄÄ
47
ÃÄÄ¿
4u7 ³ )|| ÚÄÄÄÄÄÄÄ390kÄ¿
=== )||L ³ -³\ ³
MC1496 _³_ )|| ÃÄÄÄÄ´6 \ ³
Mixer ³ u1 ³ ³ 7>ÄÄÁÄ>Wien filter OpAmp
Pin 12 >ÄÄÄÂÄÁÄÄÂÄÄÄ´ÃÄÄÄ)ÄÄÂÄ´5 /
³2kHz³ 100k ³+³/ OpAmp common
=== === ³ ÀÄÄÄÄ1MÄÄÄÄ<half rail
³ Cs ³ u1===
ÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄ
After experimenting with the 2 Cs values for exact resonance of the L, the 1M
OpAmp bias R does not load the tuned circuit & the much filtered IF now has
little AM left on it. So the following Wien filter has less to do to extract
the clean carrier. But I did look at that too..
BANDWIDTHS
10kHz ñ40Hz ñ20Hz (ñ10Hz Jitter) <0.005Hz
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ ÚÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿ÚÄÄÄÄÄÄ¿
³External³ ³ RF ³³ ³³ 2kHz ³³ IF³³ IF ³³ IF ³³ Phase ³³ PLL ³
³ Active Ã>´BufferôMixerô LC IFôAMPôTuned ôLimiterôComparatorôFilterÃAFC
³Ferrite ³ ³ ³³ ³³Filter³³x3 ³³Filter³³ x100 ³³ ³³ ³
³Rod Ant ³ ÀÄÄÄÄÄÄÙÀÄÄÂÄÄÙÀÄÄÄÄÄÄÙÀÄÄÄÙÀÄÂÄÄÄÄÙÀÄÄÄÄÄÄÄÙÀÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÙÀÄÄÄÄÄÄÙ
ÀÄÄÄÄÂÄÄÄÙ 200kHz AGC³ 2kHz
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ<ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
DC-20Hz
4/ The Wien filter OpAmp has a gain of half, so it can be driven with a clipped
signal from the earlier OpAmp before its output to the level detector clips. By
changing the feedback R from a 22k to 2x 22k the gain is then 1 & the output to
the signal detector is true until the Wien OpAmp clips. The Wien filter Q is
also doubled, bringing the total IF bandwidth down to about ñ20Hz. The
frequency setting preset needs to be about 350R, so a suitable R across the
preset to provide this value at the centre of the preset is ideal.
³\ ÚÄÄÄ> Level Detector
Common half rail>ÄÄ´3 \ ³
³ 1>ÄÄÁÄÄÂÄÄ>IF Clipper
x3 amp >ÄÄÄ22kÄÂÄÄ´ÃÄÂÄ´2 / ³
³ u22 ³ ³/ ³
³ ÀÄÄÄÄ22kÄ22kÄ´
³ u22 ³
ÃÄÄ´ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
Freq
500R
ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ
5/ I added an AGC, as I found the mixer & other stages could overload &
possibly add phase modulation from the AM signal before the signal was tightly
filtered. I did not want to remove RF buffer's gain, as this is useful when in
buildings with weak signals. So I used an additional NPN to short out the
external FET preamp's supply, this gave a very good AGC, with no distortion
from AGC action & gave the S meter with usable log scale.
ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÂÄÄÄ+12V
³ ³ 2k2 ÚÄÄÄ>S meter
d 22k 1M ³ 4n7 100K
g ÃÄÄÄÄÂÄ15kÄ¿ ³ ³ ÃÄ´ÃÄ>Mixer preset
||ÚÄÄÂÄÄÂÄ>³ ³ ³ ³ 4n7 ³ ³/ ³ u1 IF
||( ³ ³\ ÃÄÂÄÄ)ÄÄ´ÃÄÁÄ>>ÄÅÄÄÄÄ´ÃÄÄÁÄ´RF Buff ÚÄÄÄÂÄ100kÄÁÂÄ´ÃÄÄ*ÄÄ<OpAmp
||( === ³/\ s³ ³ 10n \³ ³\e ³ ³+ _³_ No Pin 1
||( ³ === ³ === AGCÃÄÄÂÄÄ¿ ³ ³ === /_\ Series
||( ³ /³ 4k7 ³10n e/³ === ³ ³ ³ ³2u2 ³ R
ÀÄÄÁÄÄÁÄÄÄÄÁÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄ>>ÄÁÄÄÄÄÁÄÄ)ÄÄÄÄÁÄÄÄÄ ³ ÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄ
External Active Aerial BNC u1 ³ AGC ³
ÀÄÄ100kÄÄÄÄÄÄÄÄÙ
The two 100k Rs set the AGC gain & with the 2u2 set the AGC time constant. It
is just fast enough to remove some of the LF AM components below 20Hz, but
still give a stable AGC, leaving a fairly unmodulated carrier after the narrow
IF filters have removed the higher frequency sidebands.
6/ Local Osc
The narrow 1:5 200kHz pulses fed to the mixer has been ramped a bit with an
additional 4n7 & 1k (was 10k), this yields 3dB more mixer gain (ideally a 100mV
square wave is best).
ÚÄÄ>Mixer Pin10
4n7 ³ Ú. Ú.
0VÄ´ÃÄÄ´ ³ \_ ³ \
³10n Ù ~-Ù
===
74LS132 74HC390 ³ 74HC390
+5VÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ)ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ
³14 16³ 1k 16³ 2kHz
10MHz ÚÄÄÁÄ¿ 10MHz ÚÄÄÁÄÄ¿ Ão200 ÚÄÄÁÄÄ¿ o
Buffer>´1 11ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´1 15ÃÄ´ kHz Ú´3 15ÃÂÄÁÄÄ>to Phase
À´2 8ÿ ³ 9ÃÄÙ 50À´4 9ÃÙ Comparator
Ú¿ Ú¿
³³____³³
5:1
7/ Output Frequencies
As this design was not quite as published, here is the arrangement.
74LS132 74HC390 ³ 74HC390
+5VÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ)ÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ
³14 16³ 1k 16³ 2kHz
10MHz ÚÄÄÁÄ¿ 10MHz ÚÄÄÁÄÄ¿ Ão200 ÚÄÄÁÄÄ¿ o
Buffer>´1 11ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´1 15ÃÄ´ kHz Ú´3 15ÃÂÄÁÄÄ>to Phase
À´2 8ÿ ³ 9ÃÄÙ 50À´4 9ÃÙ Comparator
Ú´3 12ô ÚÄÄ´3 ³ kHz³ ³
ô4 13ÃÙ ÃÄÄ´4 13ÃÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄ´1 13ÃÄÄÄÄÄ¿
À´5 6ÿ ³ ³ ³ ³ ³ ³ ³
³ 9ô ³ Ú´14 12ÿ ³ Ú´14 12ÿ ³
³ 10ô ³ ô2 7ô ³ ô2 7ô ³
ÀÄÄÂÄÙ³ ³ ³ÀÄÄÂÄÄÙ³ ³ ³ÀÄÄÂÄÄÙ³ ³
7³ ³ ³ ³ 8³ ³ ³ ³ 8³ ³ ³
ÄÄÄÄÄÄÁÄÄ)ÄÄÄÄÄ)ÄÁÄÄÄÁÄÄÄ)ÄÄÄÄÄ)ÄÄÄÁÄÄÄÁÄÄÄ)ÄÄÄÄ)ÄÄ
o o o o o o
10MHz 5MHz 1MHz 100KHz 10kHz 1kHz
8/ Output Protection
By adding a pair of 1N4148 diodes as a clipped attenuator the TTL chips are
protected from external static damage & small amounts of accidental RF (10W?).
o o o o o o
10MHz 5MHz 1MHz 100KHz 10kHz 1kHz
/³\ +
ÀÄÄÄÄ´ÃÄ470ÄÄÂÄÄÄÂÄÄ(o Output
1u _³_ _³_ ³ 1V p-p
\_/ /_\ ³
ÄÁÄÄÄÁÄÄÙ
RESULT
I now have a very accurate marker for HF (VHF/UHF on harmonics with a steady
pure tone), & I can calibrate Frequency counters or lock them up to this
source, as well as lock up my 100Hz-1GHz PLL signal generator.
For VHF & UHF, Xtal oscillators age & can't be relied on to maintain high
accuracy over several years. This accurate source (better than 1 in 10^7)
enables checking of standards. See my buls "Simple Crystal Oven" & "Crystal
Drift Compensation" for more information.
Why Don't U send an interesting bul?
73 De John, G8MNY @ GB7CIP
Read previous mail | Read next mail
| |
