Elektor

11/98

Ein stabiler HF-Generator mit definiert
einstellbarer Frequenz und Amplitude
ist für alle analogen Schaltungen zu
gebrauchen, die über den reinen NF-
Bereich hinausgehen. Die Anwendung
ist nicht nur auf Schaltungen
beschränkt, auch Antennen- und
Kabelmessungen zählen zum Anwen-
dungsbereich. Ohne einen zuverlässi-
gen HF-Generator ist ein genauer
Abgleich von Eingangsstufen (Vorkrei-
sen) und Zwischenfrequenzstufen ein-
fach nicht möglich. Deshalb ist eine sol-
che universelle HF-Quelle für den
ernsthaft HF-interessierten Elektroni-
ker auch so wichtig wie ein Multimeter.
Leider sind professionelle HF-Signal-
generatoren wie zum Beispiel der
unverwüstliche HP 8640B im Elektor-
Labor auch als Gebrauchtgeräte nicht
gerade billig. Deshalb ist ein solches
Meßgerät auch heute noch ein lohnen-
des Selbstbauobjekt, ganz abgesehen
davon, daß man mit dem Selbstbau
auch noch wertvolle Erfahrungen

Es wäre etwas über-

trieben, zu behaupten,

daß ein HF-Generator

in keinem Elektronik-

Labor fehlen darf. Wer

sich aber mit der

Reparatur von Radios,

Fernsehern, Funkgerä-

ten, HF-Verstärkern und

Filtern oder mit der Ent-

wicklung von Schaltungen in

diesem Bereich beschäftigt, der

kommt an der Anschaffung eines

solchen relativ kostspieligen Meß-

geräts nicht herum. Der hier vorge-

stellte HF-Generator für den Frequenzbereich

von 500 kHz bis 30 MHz wird durch einen

Mikroprozessor präzise gesteuert und ist im

Selbstbau durchaus erschwinglich.

24

Entwurf von Guido Brunner

HF-Signalgenerator

Kurzdaten:

à Frequenzbereich:

0,5 MHz bis 30 MHz

à Ausgangspegel:

0 dBm bis –79 dBm in 1-dB-Schritten

à Max. Ausganspegel:

0,63V

pp

an 50

Ω

à Ausgangsimpedanz:

50

Ω

à AM-Modulation

à FM-Modulation

à LC-Display

à Mikroprozessor-Steuerung

à Optional:

Serielles Interface für PC-Steuerung

Teil 1: Schaltungsbeschreibung

HOCHFREQUENZ

gewinnt und ganz genau weiß, was
man daran hat (what you get is what
you build...).
Die Frequenzstabilität des vorgestellten
Generators reicht für die meisten
Anwendungen im Bereich Abgleich
und Fehlersuche sicher aus, wobei Fre-
quenzbereich und der bis –80 dBm
herunter einstellbare Ausgangspegel
besonders für den Kurzwellen-Ama-
teur von Interesse sein dürften, da sich
damit bei KW-Empfängern, Sendern
und Transceivern alle wesentlichen
Baugruppen testen lassen.
An einen HF-Generator werden vor
allem zwei Anforderungen gestellt:
Die Frequenz des erzeugten Signals
muß bekannt sein und ebenso die
Amplitude des Signals. Wenn in die-
sen beiden Punkten Zweifel bestehen,
ist es unmöglich, das Verhalten einer

Schaltung oder die Eigenschaften

eines Empfängers zu testen.

Aus diesem Grund

wurde unser Gene-

rator mit einer

PLL für die

Frequenzrege-

lung ausgestat-

tet, während

für die Genau-

igkeit der Aus-

gangsspannung

ein von einem

Mikroprozessor

g e s t e u e r t e r

(geschalteter)

A b s c h w ä c h e r

sorgt.

B

L O C K S C H A L T B I L D

Da die Schaltbilder der vier Module
des Signalgenerators ziemlich komplex
sind, werden sie einzeln und zuerst
anhand des Blockschaltbilds (

Bild 1)

besprochen, das zeigt, wie die einzel-
nen Module zusammenwirken. Das
Herz der Schaltung ist der im Mittel-
punkt des Blockschaltbilds stehende
PLL-Schaltkreis, bei dem es sich um
einen PLL-Synthesizer zur Einstellung
und Regelung der Frequenz des VCOs
(voltage controlled oscillator) handelt.
Das Ausgangssignal dieses span-
nungsgesteuerten Oszillators wird ver-
stärkt und liegt dann sowohl am Aus-
gangsabschwächer als auch am Ein-
gang des Synthesizers an. Die PLL
erhält vom Mikroprozessor in digitaler
Form die Information über die einzu-
regelnde Soll-Frequenz. Gleichzeitig
kümmert sich der Mikroprozessor
auch um die mit der Frontplatte reali-
sierte Benutzer-Schnittstelle, die aus
drei Schaltern, einem Dreh-Impulsge-
ber und einem LC-Display besteht. Der
Mikroprozessor steuert auch den
Abschwächer, der einen Einstellbereich
0 dB bis –79 dB aufweist.
Als Option kann auch ein serielles
Interface eingebaut werden, um eine

Steuerung des Genera-
tors vom PC aus über
eine RS232-Verbindung
zu ermöglichen. Im
Blockschaltbild darf
natürlich auch das
Netzteil nicht fehlen, das drei Gleich-
spannungen zur Versorgung der Teil-
schaltungen bereitstellt.

P L L - P

L A T I N E

Die Schaltung dieses Moduls ist in Bild
2 dargestellt. Es besteht wiederum aus
drei Teilschaltungen: VCO, Synthesizer
und Ausgangspuffer. Der VCO und
der Synthesizer bilden zusammen die
PLL.

VCO und Puffer
Das aktive Elemente des Oszillators ist
ein Differenzverstärker mit den Tran-
sistoren T1, T2 und T3, dessen Verstär-
kung vom Strom durch T3 abhängt.
Der eigentliche Schwingkreis des
Oszillators ist ein abgestimmter LC-
Kreis in Parallelresonanz, der mit dem
Eingang des Differenzverstärkers ver-
bunden ist. Das LC-Netzwerk besteht
aus den Spulen L1-L5 zusammen mit
den Kapazitätsdioden D9 und D10.
Der andere Eingang des Oszillators
liegt für HF über den Kondensator
C10 an Masse. Abhängig vom
gewünschten Frequenzbereich wer-
den Spulen (eine oder mehrere) dem
Oszillator zugeschaltet, indem sie über
die Pin-Dioden D2, D4, D6 und D8
HF-mäßig nach Masse geschaltet wer-
den. Die Pin-Dioden selbst können mit
5 V geschaltet werden. Im höchsten

Frequenzbereich sind
alle Spulen effektiv
parallelgeschaltet. Das
ist erforderlich, um zu
verhindern, daß die
nicht ausgewählten

Spulen zusammen mit den parasitären
Kapazitäten Serienresonanzkreise bil-
den, die den Oszillator von der
gewünschten Frequenz abbringen.
Alle Spulen sind fertig zu kaufende
HF-Drosseln, was den Nachbau ver-
einfacht. Die Frequenzbereichsum-
schaltung erfolgt bei 1,024 MHz, 2,304
MHz, 5,376 MHz und 13,056 MHz.
Über Kondensator C8 gibt es eine posi-
tive Rückkopplung, die dafür sorgt, daß
der Oszillator schwingt. Eine Amplitu-
denmodulation (AM) ist mit einem NF-
Signal am Emitter von T3 möglich.
Obwohl eine Frequenzmodulation des
VCOs die PLL ausrasten läßt, bleibt die
mittlere Frequenz doch konstant, weil
die Zeitkonstante der Regelschleife so
lang ist, daß die Frequenzmodulation
nicht ausgeregelt wird.
Um eine zu starke Belastung des
Oszillators zu vermeiden, wird das
Oszillatorsignal über einen FET-
Sourcefolger (T4) als Puffer ausge-
koppelt. Danach kommt mit IC1 der
eigentliche Verstärker. Der verwendete
NE592 ist einigen vielleicht aus Base-
band-Videoverstärkern in Satelliten-
Receivern bekannt. Der Verstärker ist
gleichspannungsmäßig über den
Opamp IC3b auf die halbe Betriebs-
spannung eingestellt, die Verstärkung
wird durch die Reihenschaltung R26-
L8 definiert. Durch die mit der Fre-
quenz zunehmende Impedanz der

25

Elektor

11/98

VCO

PLL

Netzteil

Interface

PC

30V

12V

5V

230V

Taster

F

Abschwächer

0 ... - 79 dB

LCD

980053 - 11

0,5 ... 30 MHz

Bild 1. Blockschaltbild
des HF-Signalgenera-
tors mit einem Mikro-
controller zur Steue-
rung von Frequenz und
Amplitude.

1

B2

R1

D1

1N4148

D2

BA243

C2

33n

L2

100µH

B3

R3

D3

1N4148

D4

BA243

C3

33n

L3

22µH

B4

R5

D5

1N4148

D6

BA243

C4

33n

L4

3µH9

B5

R7

D7

1N4148

D8

BA243

C5

33n

L5

0µH56

C8

330p

C9

330p

C13

100n

C10

33n

C15

27p

R13

R14

R15

R16

R19

R20

R21

R25

R24

R27

R29

R28

R31

R11

R17

R34

T1

BF494

T2

R41

T3

BF494

C40

100n

C12

10µ
63V

C14

180p

T4

BF256B

C16

330p

L6

39µH

L7

39µH

R22

10k

R23

10k

C17

33n

L8

3µH3

R26

C21
4n7

R30

T5

2N5179

C22

33n

R32

47

Ω

C11

68p

C19

100n

C20

47µ
16V

C18

10µ
16V

OUT

D10

BB130

D9

R2

390

Ω

R4

390

Ω

R6

390

Ω

R8

390

Ω

2x

R10

330k

R9

C6

2n2

FM

L1

330µH

C1

33n

R12

10k

C7

220n

AM

R18

100k

R37

10k

R36

10k

R35

R33

2

3

1

IC3a

2k2

P1

C28

2µ2
16V

C26

2µ2

16V

C25

2n2

C24

330p

D12

AA13

D11

AA113

6

5

7

IC3b

C23

330p

R40

1k

C

B

A

NE592

IC1

G2B

G2A

G1B

G1A

14

10

11

12

I2

I1

Q2

Q1

1

8

7

3

5

4

C30

2n2

C31

10n

C29

10n

C37

330n

C39

100n

C36

1µ

C35

100n

R39

18k

R38

R42

C34

100µ 10V

C38

10µ
63V

LOCK

C33

40p

X1

4MHz

2x

A

A

B

B

C

D

E

F

G

H

I

J

J

K

(N14)

L

L

M

N

+30V

30V

+12V

12V

+5V

5V

DLEN

SDA

SCL

U

TUNING = 0 ... 30V

LOCK

PLL

8

4

IC3

IC3 = LM358P

12V

U+

U+

5V

C32

47µ
16V

A

11V9

B

C

D

E

F

10V2

0V

9V5

0V02

0V86

G

H

I

J

K

L

M

N

3V5

4V2

0V35

5V9

5V1

K

9V

2V5

1V95

980053 - 12

30V

C27

100n

SAA1057

IC2

XTAL

TEST

AMIN

DLEN

FMIN

OUT

SDA

SCL

DCS

DCA

TCA

TCB

IN

15

17

18

11

12

14

13

10

TR

16

CC

5

6

4

1

2

3

1

9

2

3

7

V

8

2

D1

1N4148

C1

100n

R3

6

Ω

81

R4

39

Ω

2

RE1

R1

R2

R5

R6

D2

1N4148

C2

100n

R9

368

Ω

R10

12

Ω

1

RE2

R7

R8

R11

R12

D3

1N4148

C3

100n

R15

3k65

R16

24

Ω

3

RE3

R13

R14

R17

R18

D4

1N4148

C4

100n

R21

909

Ω

R22

56

Ω

2

RE4

R19

R20

R23

R24

D5

1N4148

C5

100n

R27

3k92

R28

162

Ω

RE5

R25

R26

R29

R30

D6

1N4148

C6

100n

R33

3k92

R34

162

Ω

RE6

R31

R32

R35

R36

D7

1N4148

C7

100n

R39

3k92

R40

162

Ω

RE7

R37

R38

R41

R42

D8

1N4148

C8

100n

R45

3k92

R46

162

Ω

RE8

R43

R44

R47

R48

A1

– 1dB

A2

A3

A4

– 2dB

– 4dB

– 8dB

A5

A6

A7

A8

– 16dB

– 16dB

– 16dB

– 16dB

980053 - 13

RE1 ... RE8 = V23042-A1001-B101

3

Induktivität nimmt die Ve r s t ä r ku n g
bei höheren Frequenzen ab. Da der
VCO die Ausgangsspannung nachre-
gelt (Regelschleife über IC3a und T3),
bedeutet weniger Ve r s t ä r kung von IC1
automatisch eine höhere Ve r s t ä r ku n g
der Differenzstufe mit T2/T3. Dieser so
beabsichtigte Effekt gewährleistet ein
sicheres Anschwingen des Oszillators
auch bei höheren Fr e q u e n z e n .

Der NE592 hat als Differenzverstärke r
sowohl zwei Eingänge als auch zwei
Ausgänge. Beide Ausgänge werden
v e rwendet. Der eine (Pin 7) ist mit dem
E m i t t e rfolger T5 verbunden, der den
Generatorausgang mit der für (HF–)
Meßgeräte üblichen Standard-Impe-
danz von 50

realisiert. Das andere

Ausgangssignal des NE592 wird von
zwei Teilschaltungen verwertet. Ein
Zweig führt über C23 und R33 zum
P L L-IC, der andere über den Gleich-
richter D11/D12 zum Amplitudenreg-
ler IC3a. Die amplitudenabhängige
Gleichspannung wird mit dem an P1
eingestellten Sollwert verglichen und
entsprechend über T3 die Ve r s t ä r ku n g
von T1/T2 über die Steuerung des

Stroms durch T3 nachgeregelt. Mit P1
wird die maximale Amplitude des
Generators so eingestellt, daß an einem
5 0 - -Lastwiderstand am Ausgang 0
dBm (entsprechend 0,63 V Spitze-
Spitze an 50 ) erreicht werden.

S y n t h e s i z e r
Der Synthesizer wurde in Anlehnung
an die Philips-Applikation mit dem
S AA1057 realisiert. Einige Bauteilwerte
wurden aber geändert, um das PLL-
Verhalten in der vorliegenden Anwen-
dung zu optimieren. Der LOCK-Au s-
gang ist nur zu Te s t z w e c ken herausge-
führt. Der SAA1057 wird vom
Mikrocontroller über die drei I

2

C- B u s -

Leitungen des SDA, SCL und DLEN

Bild 2. Mit Abstand am umfang-
reichsten ist die Schaltung der
VCO/PLL-Platine. Das Herz der
PLL ist ein Synthesizer-IC mit
I2C-Interface.

C1

1µ

16V

R1

K1

P1

10k

R5

8x 10k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

C5

100n

R2

R3

R4

R28

1k

PSEN

ALE

R29

3k3

T12

R26

1k

R27

3k3

T11

R24

1k

R25

3k3

T10

R22

1k

R23

3k3

T9

R12

1k

R13

3k3

T4

R10

1k

R11

3k3

T3

R8

1k

R9

3k3

T2

R6

1k

R7

3k3

T1

R20

1k

R21

3k3

T8

R18

1k

R19

3k3

T7

R16

1k

R17

3k3

T6

R14

1k

R15

3k3

T5

X1

11.059 MHz

C2

33p

C3

33p

C4

100n

S1

S2

S3

T0

MAX232

R1OUT

R2OUT

RS1OUT

RS2OUT

IC2

T1IN

T2IN

RS1IN

RS2IN

C1–

C1+

C2+

C2–

11

12

10

13

14

15

16

V+

V-

7

8

9

3

1

4

5

2

6

C9

C10

C6

C7

C8

K2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

S4

ENCODER

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

C

B

A

P2.4

EA/VP

ALE/P

RESET

89C51

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

P2.4

P2.5

P2.6

P2.7

PSEN

INT0

INT1

IC1

TXD

RXD

39

38

37

36

35

34

33

32

21

22

23

24

25

26

27

28

31

19

X1

18

X2

20

40

17 RD
16

WR

29

30

11

10

12

13

14

T0

15

T1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

B5

B4

B3

B2

DGCLK

DGDIR

C12

100n

C11

220µ
16V

5V

T1 ... T8 = BC557B

C6 ... C10 = 10µ / 63V

OUT

IN

RS232

RES

5V

5V

5V

LOCK

980053 - 14

+5V

RS

R/W

EN

DB4

DB5

DB6

DB7

5V

5V

5V

T9 ... T12 = BC557B

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

5V

TxD

RxD

SDA

SCL

DLEN

Bild 4. Schaltbild des Control-
ler-Boards. Der 89C51-Mikro-
controller hat reichlich I/O-Lei-
tungen zu bedienen.

4

Bild 3. Schaltung des digital
gesteuerten HF-Abschwächers
mit einem Einstellbereich von 0
dB bis –79 dB in 1-dB-Schritten.

Anzeige

angesteuert. Der SAA1057 vergleicht
die Frequenz des VCOs mit der Fre-
quenz eines externen 4-MHz-Quarzes
als Referenz. Um einen direkten Ver-
gleich zu ermöglichen, wird das VCO-
Signal intern durch einen Faktor
geteilt, den der Mikrocontroller vor-
gibt. Ergibt der Vergleich eine Fre-
quenzdifferenz, entsteht ein Fehlersig-
nal, das in eine entsprechende Steuer-
spannung für die Kapazitätsdioden
umgewandelt wird. Die Steuerspan-
nung wird über R40 und C37 inte-
griert, sie kann sich im Bereich zwi-
schen 0 und 30 V bewegen. Der
SAA1057 benötigt im Gegensatz zu
anderen PLL-Bausteinen keinen sepa-
raten Pegelkonverter zur Ansteuerung
der Kapazitätsdioden, sondern enthält
diesen bereits, daher auch die zweite
Betriebsspannung von 30 V (Pin 7).
Der Trimmkondensator C33 ermöglicht
einen Abgleich der Referenzfrequenz,
und damit der Genauigkeit der Gene-
rator-Ausgangsfrequenz, wofür eine
genaue Eichfrequenz oder ein genauer
Frequenzmesser benötigt wird.
Die Schaltung benötigt drei verschie-
dene Betriebsspannungen: +5 V für

den Synthesizer, +12 V für den VCO
und +30 V für die Steuerung der
Kapazitätsdioden.

A

B S C H W Ä C H E R

Bild 3 zeigt die Schaltung des digital
gesteuerten HF-Abschwächers mit acht
Elementen aus je vier Widerständen
mit dem genannten Einstellbereich (79
dB) in 1-dB-Stufen. Die für die 79
Abstufungen benötigten Wider-
standskombinationen werden über
Relaiskontakte geschaltet, wobei die
Relais vom Mikrocontroller aus über
acht Transistorstufen (T1 bis T8) und
die Leitungen A1-A8 angesteuert wer-
den. Die berechneten Widerstands-
werte werden durch parallelgeschal-
tete 1-%-Widerstände der E96-Reihe
ausreichend genau realisiert. Jede
Relaisspule ist mit einer Freilaufdiode
und einem Entkoppelkondensator
beschaltet.

M

I K R O C O N T R O L L E R

-

P

L A T I N E

Der für Benutzerschnittstelle, PLL-
und Abschwächer-Steuerung zustän-
dige Mikrocontroller ist ein 89C51 mit
einem entsprechenden Programm im

internen Speicher (Bild 4). Man kann
den Controller einfach als Black-Box
mit Eingängen und Ausgängen (I/O)
betrachten. Die Eingänge sind ver-
bunden mit dem Dreh-Enkoder S4 für
die Frequenzeinstellung, mit den
Tastern S1-S3, dem PLL-Baustein
(SDA-Leitung) und (als Option) der
RxD-Leitung des RS232-Interfacebau-
steins MAX232. Ausgänge des Control-
lers sind verbunden mit dem LC-Dis-
play (an Port 0), dem Abschwächer
(Port 1), den PIN-Dioden der VCO-
Induktivitäten (P2.0 bis P2.3) und den
I

2

C-Anschlüssen SDA und SCL des

Synthesizer-Chips (P2.7 und P2.6).
Genau betrachtet ist der I

2

C-Bus zum

sogenannten CBUS erweitert, und
zwar durch P2.5 (DLEN) und den
zugehörigen Pull-up-Widerstand R4.
Der 89C51 wird mit dem externen
11,0592-MHz-Quarz getaktet. Die Fre-
quenz wurde gewählt, weil sie beim
seriellen Interface Standard-Baudrates
ermöglicht. Der Power-up-Reset erfolgt
durch das klassische RC-Glied, hier
realisiert mit R1 und C1. Das Control-
lerboard benötigt nur +5 V als
Betriebsspannung, die ±10 V für die
serielle Schnittstelle erzeugt sich der
MAX232 bekanntlich selbst.
Die Netzteilschaltung in Bild 5 weist
weiter keine Besonderheiten auf.
Die 30 V für die Kapazitätsdioden sta-
bilisiert eine diskrete Schaltung mit
Transistor und Z-Diode. Die Stromauf-
nahme der Dioden ist vernachläßigbar
gering, so daß ein spezieller Span-
nungsregler nicht unbedingt erforder-
lich ist. Dennoch gibt es einige Koppel-
kondensatoren, die verhindern sollen,
daß Brumm- und andere Störspan-
nungen durch die Kapazitätsdioden
als FM auf das Signal aufmoduliert
werden. Eingangsseitig liefert ein
Spannungsverdoppler mit C10, D5
und D6 die nötige Spannung für die
Spannungsstabilisierung mit der Z-
Diode.
Die 5-V- und 12-V-Betriebsspannungen
werden mit altbewährten Spannungs-
reglern, nämlich mit LM317 und 7812
geregelt. Der 18-VA-Nertztrafo kommt
mit einer einzigen Sekundärspannung
von 15 V aus.

Z

W E I T E R

T

E I L

Im nächsten Monat geht es weiter mit
Bau, Abgleich und Anwendung des
HF-Signalgenerators.

(980053-I)

29

Elektor

11/98

D3

D1

D2

D4

15V

TR1

8VA

C3

C4

C2

C1

7812

IC1

IC2

LM317T

C5

1000

µ

35V

C7

2

µ

2 16V

C9

2

µ

2

16V

C13

10

µ

63V

C12

1

µ

63V

C11

220

µ

63V

C10

470

µ

63V

K1

K2

C6

220n

D5

C8

220n

R1

22

Ω

5W

R2

270

Ω

R3

820

Ω

D6

1N4001

R4

1k

D7

33V

400mW

R5

10k

D8

T1

BC141

+30V

+12V

+5V

30V

12V

5V

2x

63mA T

980053 - 15

D1 ... D4 = 4x 1N4001

C1 ... C4 = 4x 47n

Bild 5. Das Netzteil
liefert drei Gleich-
spannungen.

5

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