0 dBm Kalibrier-Generator
	Projekt: 0 dBm Kalibrier-Generator
	Kontakt:
	Einleitende Worte
	Ich brauchte ein relativ genaues 0 dBm Signal an 50 Ω, um Abgleicharbeiten im Kurzwellenbereich machen zu können. Ein Hinweis machte mich auf einen Artikel im Praxisheft Nr.30 derAATiS aufmerksam. Den dort vorgestellten Bausatz habe ich mir schicken lassen und aufgebaut. Der Kalibrierungsgenerator liefert auf der festen Frequenz von 3,579 MHz mit sehr hoher Genauigkeit einen Ausgangspegel von 0 dBm an 50 Ω, was 224 mV Ueff entspricht. Natürlich mit einer geringen Toleranz, +/- 0,1 dBm. Der Vergleich des Hochfrequenzpegels mit einer genau einzustellenden Gleichspannung in einem geschlossenen Regelkreis ist die einzige notwendige Abgleicharbeit. Da die Regelspannung geprüft werden kann, ist der Eichgenerator auch für den professionellen Abgleich verwendbar.
	IC1 stellt die ca. 5 Volt einstellbare und stabilisierte Spannung für den Regelkreis bereit. Der Quarzoszillator erzeugt ein Signal von 3579 KHz, das dann mit 0 dBm am Ausgang X1 bereit steht. T1 verstärkt dieses Signal. Nach Siebung des Ausgangssignals durch ein doppeltes Pi-Filter wird seine Spitzenspannung mit der Ausgangsgleichspannung des variablen Spannungsreglers IC1 verglichen. Dazu werden beide Spannungen, die gleichgerichtete Hochfrequenzspannung und die bei CON 1 anliegende Gleichspannung, über Schattkydioden und Abblockkondensatoren auf die Eingänge [2 und 3] des Operationsverstärkers gegeben. Der Regelkreis wird geschlossen, indem der Ausgang [6] des OPVs mit dem Gatespannungseingang des Mosfets verbunden wird. Diese Regelung über die Gatespannung ist hervorragend. Die beiden hochohmigen Widerstände R7 und R8, je 3,3 MΩ, haben sehr geringe Diodenströme zur Folge. Durch die minimale Schwellenspannung beider Dioden stellt sich ein annähernd gleiches Verhalten ein. Damit der Transistor bei Ausfall der Regelschaltung nicht die Spannung völlig kurzschliesst, wurde in die Drainleitung ein 47 Ω Widersatnd eingefügt. Zur Kontrolle des Regelvorgangs kann die Regelspannung über einen Längswiderstand an CON3 überwacht werden. Die Hochfrequenzspannung am Ausgang des PI-Filters wird nun durch Spannungsteilung auf 50 Ω gebracht und mit einem Pi-Dämpfungsglied auf 0 dBm eingestellt.
	Bauteile
	Platine unbestückt - Vorder- und Rückseite.
	SMD Bauelemente in ihren Containern und nur wenige Bauteile zum Verdrahten.
	Quarzoszillator:
	• Frequenz: 3,579545 MHz • Frequenztoleranz: ± 100 ppm • Temperaturbereich: 0 bis 70 °C • Speisespannung: 5 V • Anschlüsse: 1-unbeschaltet, 7-Masse, 8-Ausgang, 14-Speisespannung
	Fertig bestückte Platine
	Die beiden Parallelwiderstände R10* und R13* zum Feinabgleich des 0,0 dBm Ausgangspegels wurden hier noch nicht bestückt. Drahtbrücke [BR1] ist noch offen.
	Ein doch eindrucksvoller Größenvergleich mit einer Streicholzkuppe, der keinesfalls vor einer SMD Bestückung abhalten soll. Die Baugrösse 0805 mit 2,0 x 1,25 mm zu löten erfordert bereits Erfahrung, also kein Anfängerprojekt.  viel Licht      Platine fixieren      gute Lupe      Löttemperatur nicht zu niedrig Die Bauteilecontainer vorsichtig und über einer ringsum geschlossenen Unterlage [Holztablett] herausnehmen. Wegschnipsen geht schnell aber wiederfinden oft nicht möglich! Vor dem Löten Wert der SMD checken. Überzeuge dich vor dem Löten noch einmal, an welche Position auf der Platine das Bauteil kommt und prüfen nocheinmal seinen Wert. Damit kannst du eine Verwechselungen und falsche Positionierung ausschließen. Ich habe erst mal alle passiven SMD gelötet. Dann Kontrolle mit der Lupe. Anschließend IC1 eingelötet und die Spannungen kontrolliert. Dann die restlichen SMD gelötet. Die Massepads mit mehr Leistung löten. Achte auf die Kathodenmarkierung der 3 Dioden BAT43. Ein Strich, der nicht sofort zu sehen ist, nimm eine Lupe. Schau dir als Einsteiger auch einige praktischen Hinweise zumSMD Löten an.
	Konstantstromquelle, ein Beispiel
	Vorsicht bei der ersten Inbetriebnahme. Sollte der Regelkreis nicht korrekt arbeiten zieht T1 zuviel Strom und wird zerstört. Desshalb ist die Spannung über eine Strombegrenzung von ca. 30 mA zuzuführen. Nutze die hier vorgestellte Konstantstromquelle. Das ist keine Hochpräzisionslösung, ist aber hier ausreichend. Als Transistor kannst du irgendeinen kleinen Universaltyp nehmen. An die Basis des Transistors liegt eine stabile Spannung an. Am Emitterwiderstand fällt die Differenz Ub - Ube ab. Die Basis-Emitter-Diode des Germaniumtransistors T1 beginnt so ab 0,18 V zu leiten und nenneswerte Basisströme fliessen bei ca. 0,3 V, die stark von der Temperatur beeinflusst werden. Weil sowohl Ub als auch Ube relativ konstant sind, ist auch die Spannung am Emitterwiderstand konstant und damit gilt das gleiche für den durchliessenden Strom. Die stabile Spannung an der Basis des Transistors wird hier durch eine LED erzeugt. Der Spannungsabfall einer gelben LED bewegt sich von ca. 1,9 bis 2,5 Volt. Die LED kompensiert den Temperaturgang des T1 sehr gut, besser als eine Z-Diode. Testen kannst du die Konstantstromquelle ganz einfach. Die Versorgungsspannung wurde zwischen 9 und 14 Volt gewählt. Am Ausgang habe ich einen Einstellregler, ca. 500 Ω angeklemmt und in Reihe dazu ein mA-Meter. Der Einstellregler wurde auf Maximum gedreht. Die LED bleibt dunkel, da der Strom am Ausgangswiderstand noch nicht in die Begrenzung liegt, ca. 18 mA. Nun den Einstellregler in Richtung Minimum drehen. Bei ca. 21 mA beginnt die LED zu glimmen. Bei ca. 25 mA wird die LED heller und bei Minimum bleibt der gemessenen Strom bei ca. 32 mA stehen. Das ist ja einem "Kurzschluss" gleichzussetzen, die LED leuchtet hell. Du kannst nun noch die Eingangsspannung auf 12 Volt erhöhen, der Strom am Ausgang bleibt bei 33 mA.
	Nachträgliche Modifikation
	Sollte beim Einschalten immer wieder die eingestellte Strombegrenzung ansprechen, hat Andreas, DJ4AL folgende Lösung gefunden. Nach D1 muss eine zeitliche Verzögerung des Spannungsanstiegs eingebaut werden. Ein Kombination aus 10 kΩ und 10 uF sollten ausreichen. Nach Power ON passiert folgendes, Andreas, schreibt dazu: "Beginnt der CMOS-Oszillator nicht sofort HF zu produzieren wird an D2 keine HF gleichgerichtet, an R6, C5 sind 0 Volt. An der Katode D1 liegen aber sofort 5 Volt als Referenz an. Was macht der OPV, er steuert ohne Verzögerung den Ausgang des OPV auf maximale positive Spannung, auf etwa 12V. Der Mosfet geht in die Sättigung und zieht maximalen Strom. Aus diesem Zustand kommt er nicht wieder heraus, auch wenn der CMOS-Oszillator jetzt schwingt. Da es Oszillatoren gibt die sofort schwingen und welche die etwas Zeit brauchen, treten diese Effekte nicht immer auf." Die eine Pad-Seite für C13 den Schutzlack auf der Leiterbahn vorsichtig mit einem Cuttermesser abkratzen. Die andere Pad-Seite ist Masse. Für R18 die Leiterbahn unterbrechen, was ich immer mit einem kleinen ca. 3mm Bohrer mache. Vorsichtig die Leiterbahn freisenken und auch hier den Schutzlack an beiden Seiten wieder mit dem Cuttermasser freikratzen.
	Abgleich
	Bei der ersten Inbetriebnahme, wenn du erstmals eine Spannung anlegst, unbedingt eine Strombegrenzung aktivieren. Das ist eine Schutzmaßnahme, wenn der Regelkreis nicht korrekt arbeiten sollte. [Verdrahtungsfehler etc.] Wichtig, die Brücke ist noch offen. Da T1 dadurch noch nicht wie geplant arbeiten kann, sollte sich ein Ausgangspegel von ca. -5 dBm [Ueff 125 mV] an X1 messen lassen. Aber nicht kleiner! Mit dem Spannungsregler IC1 kann die Ausgangsspannung zwischen 1,2 und 18 Volt bei einer internen Referenzspannung von 1,22V eingestellt werden. Die sich einstellende Ausgangsspannung von ca. 5 Volt [+/-] wird mit den vier Widerstanskombinationen [R10 II R10* und R13 II R13*] später fein abgeglichen. Diese Spannung ist die Regelspannung zur Einstellung der exakten 0 dBm am Ausgang X1. Wenn das alles soweit OK ist kannst du die Brücke mit einem 0 Ω Widerstand oder einem "Lötkleks" schließen. Du solltest einen Strom um die 23 mA messen. Das Ausgangssignal an X1, abgeschlossen mit 50 Ω, müsste bereits um die 0 dBm [ca. Ueff 224 mV] messbar sein. An CON 3 sollte sich die Ausgangsspannung des OPVs von ca. 1 Volt [meist unter 1 V] einstellen, die Gatespanung für T1. Keine groben Abweichungen gemessen? Gut so, weiter zur Feinjustierung. Mit dieser Feinjustierung werden die nicht auszuschließenden Bauteiletoleranzen ausgeglichen.
	Feinjustierung mit Einstellregler: Um den relativ genauen Wert von R10* für den Pegel von 0,0 dBm an X1 ermitteln zu können, habe ich mich für einen Einstellregler 1 MΩ entschieden. Damit habe ich die Spannung an CON1, die um die 5 V [eher niedriger] liegt einjustiert. Nur dann kann der Ausgangspegel genau auf 0,0 dBm abgeglichen werden. Der "blaue Würfel" passt ganz gut in freier Verdrahtung mit auf die Platine. Damit kann ich auch später nachjustieren. R13* wurde nicht bestückt. Mein ermittelter Wert für R10* beträgt ca. 300 kΩ.
	Der Einstellregler im Detail. Ein Beinchen wurde abgeknappst. Die beiden vorhandenen Anschlüsse vorsichtig umbiegen und in der Länge kürzen. Auf die beiden Lötpads für R10* löten.
	Messwerte
	Kurzerklärung der drei Messwerte einer Sinusschwingung: Bei der Wechselspannung wird zwischen dem Effektivwert [eff. auch RMS], dem Scheitelwert [s] und dem Spitze-Spitze-Wert [ss] unterschieden. Wird nichts expliziertes angegeben handelt es sich fast immer um den Effektivwert. Effektivwert      Scheitelwert      Spitz-Spitze  Ueff    − 1 / √2 × Us 1 / (2 × √2)· Uss  Us √2 × Ueff − √2 × Ueff  Uss 2 × √2 × Ueff 2 × Us −  √2 = 1,4142  1/√2 = 0,7071 Spitze-Spitze-Wert:   Uss - Gibt die Höhe der Auslenkung an, gemessen vom niedrigsten Wert bis zum höchsten Wert einer Wechselgröße. Scheitelwert: Us - auch Maximalwert gibt den Wert einer Halbwelle vom Null bis zum Maximum an. Effektivwert: Ueff - Für Sinuswellen beträgt der Effektivwert √2 × Scheitelwert, für andere Wellenformen entspricht er dem quadratischen Mittelwert auch RMS.
	Die Genauigkeit des Signalpegels wird mit der Regelkreisspannung von IC1, die der OPV als Referenz verwendet fein eingestellt. Mit R10*, bei mir ein 1 MΩ Spindeltrimmer, gelingt das sehr gut. Zur Orientierung eine Übersicht des Σ Widerstands. R10* R10 Σ Widerstand 800 kΩ 15 kΩ 14,72 V 600 kΩ 15 kΩ 14,63 V 400 kΩ 15 kΩ 14,46 V 350 kΩ 15 kΩ 14,38 V 300 kΩ 15 kΩ 14,29 V 250 kΩ 15 kΩ 14,15 V Den vorgesehenen parallelen Widerstand R13* habe ich nicht bestückt, nur die Widerstände R10* II R10 und R13. Folgende Spannungsreferenzen wurden bei Us=12 Volt mit R10* ca. 300 kΩ parallel zu R10 gemessen.   Strom gemessen: 23 mA   CON1 gemessen: 4,73 Volt   CON3 gemessen: 0,96 Volt   Output gemessen Ueff    224 mV   Output gemessen Uss 632 mV
	Die Werte können geringfügig abweichen, denn die Regelspannung hängt von der Verstärkung des T1 ab, und da gibt es durchaus größere Toleranzen. Diese Werte sehen sehr gut aus und bestätigen den Feinabgleich mit dem Spindeltrimmer auf 0 dBm.
	Mess Equipment
	Nicht alle Oszilloskope haben einen Schalter für einen 50 Ω Messeingang. Für eine korrekte Terminierung schließt man extern einen 50 Ω Durchgangsabschluss zur Verbindung des 50 Ω HF-Geräts mit dem Hochimpedanzeingang [1 MΩ] des Oszilloskops. Was du hier oben siehst ist ein koaxialer Durchgangsabschluss mit BNC- Anschlüssen. Er wird gebraucht zum Anschluss von Signalen aus 50 Ω Quellen an Messgeräte mit Eingängen hoher Impedanz, wie z. B. Oszilloskopen. Realisiert wird das oft mit 4 induktionsarmen 200 Ω SMD Widerständen in Stripline Technik, zu gebrauchen für Frequenzen bis 1 GHz. Der Durchgangsabschluss wird direkt auf die BNC Eingangsbuchse vom Oszi gesteckt. Das eine Mega Ω, das dem 50 Ω Abschluss parallelgeschaltet ist, ist unerheblich [Parallelschaltung]. Lediglich die kapazitive Belastung durch den Messeingang vom Oszilloskop mit üblicherweise ca. 20pF kann die Messung beeinflussen. Das nur mal grob betrachtet, Details wurden zur genauen Anpassung mal weggelassen. Alternativ kannst du auch einen normalen BNC-T-Verbinder mit einem 50 Ω Abschluss nehmen, der nach meiner Erfahrung bis ca. 200 MHz ein ziemlich brauchbarer Durchgangsabschluss ist.
	So habe ich den Ausgangspegel von 0 dBm eingestellt. Die Feinjustierung erfolgte mit dem Spindeltrimmer, der blaue "Würfel".
	Komprimiertes Abbild der Messwerte, aufgenommen mit einem Oszilloskope.
	Gehäuseeinbau
	Innenansicht des fertigen Kalibrier-Generators. Die Platine wird auf zwei 8 mm Abstandshalter, die am Gehäuseboden angeklebt wurden gehalten. Damit ist die SMA Buchse fixiert. Links die SMA Buchse, an der das 0 dBm Signal anliegt. Rechts oben die Spannungsversorgungsbuchse und darunter der Ein/Aus Schalter.
	Fertige Kalibrier-Generator im Gehäuse. Ein Größenvergleich mit einem Streichholz.