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Erweiterung  eines Racal Dana 1991Frequenzzählers mit zwei Eingängen zu einen 1992 bis 12 GHz.

Einleitung.

Vor einiger Zeit hatte ich in Ebay preisgünstig einen Racal Dana Frequenzzähler Typ 1991
erstanden. Der  Frequenzzähler hat 2 Eingänge, wobei der Haupteingang bis 160MHz spezifiziert ist, der zweite Eingang immerhin noch bis 100MHz. Es gibt diesen Frequenzzähler unter der Bezeichnung 1992 noch mit einen dritten Eingang der bis 1,2 GHz spezifiziert ist. Beide Frequenzzähler haben gemeinsam, das er 9 Stellen pro Sekunde anzeigt.
Ebenso besitzt meiner die Option IEEE488 Schnittstelle.
Der Zähler wird relativ preiswert immer wieder in Ebay und auf diversen Flohmärkte  angeboten,  und ist wohl auch unter den Funkamateuren verbreitet.

Irgendwann hat es mich dann doch gestört, das ich mit dem 1991 nur bis 160MHz  zählen konnte. Er geht aber in Wirklichkeit fast bis 220 MHz. Also habe ich mir die Serviceanleitung von der Seite http://bama.edebris.com/manuals/racal/1991/
runtergeladen und die Funktionsweise des dritten Kanales mal näher angschaut. Es ist im wesentlichen ein Vorverstärker mit einer passiven Pegelregelung und einen Teiler durch 64. Hinzu kommt noch ein bischen
Logik welches dem Zähler mitteilt ob er gültige Daten hat, und das er am arbeiten ist. Diese Logik ist allerdings
Trickreich und schwer zu durchschauen, zumal ein Teil der Logik sich auf der Hauptplatine wiederfindet.

Teiler durch 64 und dann nur bis 1,3 GHz ?  Da muss doch wohl noch mehr drin sein. 
Um auszuloten welche Frequenz der Zähler tatsächlich verarbeiten kann, habe ich provisorisch durch entsprechende Aktivierung der Steuerpins auf dem Motherboard vorgegaugelt, als wäre der dritte Kanal vorhanden. An dem Pin , der das durch 64 geteilte Signal aufnimmt, habe ich dann mit einen Signalgenerator
ein HF Signal mit einen Pegel von  +13dbm angelegt, und die Frequenz soweit erhöht, bis der Zähler fehlerhaft gezählt hat. Die dabei gefundene Frequenz lag bei fast 240 MHz.
Man brauchte nur nachzurechnen, um die maximal mögliche Eingangsfrequenz zu erfahren. 240MHz*64=
15,36GHz.  Warum also nicht gleich einen dritten Eingangskanal bauen, der wenigstens das 3cm Band noch 
zählt.  Nach ca 3 Monaten Entwicklungsarbeit mutierte mein Racal Dana 1991 plötzlich zu einen Racal Dana 1992, mit dem einzigen Unterschied, das der Kanal 3 um Faktor 10 höhere Frequenz zählt.
Vielleicht passt diese Baugruppe ja auch in den Racal Dana 1996. Wenn jemand dazu das Servicemanual hat,
kann er mir ja schreiben.

Wie man diesen Zähler so umbaut  soll dieser Artikel beschreiben.

Nach genauerem Studium der Original Kanal 3 Schaltung habe ich mich entschlossen den Steuerteil aus diesem 
Schaltbild genauso zu übernehmen und den HF Teil auf einer getrennten Platine Huckepack auf die Steuerplatine 
aufzusetzen. So hat man die Möglichkeit auch mit preiswerteren Teiler und Vorverstärker Ics einen Zähler bis z.B. 3 GHz aufzubauen. Man muss dafür nur die HF Platine neu konstruieren. 

Auf der Steuerplatine sitzt ein ECL Tripple Line Receiver IC MC1016 , welches in Ebay immer wieder von einen chinesischen Händler, billig angeboten wird. Auch ich habe dieses IC über Ebay bezogen. Es sind 3  Receiver mit 2nSek Schaltzeit und einer Schmitt-Triggereigenschaft. Dieser ist durch handelsübliche Ics nicht so einfach zu ersetzen.
Die Arbeitswiderstände des MC10116  wurden entsprechend der höheren Frequenz von mir angepasst.
Wie die Originalschaltung beinhaltet diese Baugruppe einen Signaldetektor, welches den Zähler nur freigeben
soll, wenn der Pegel zum Zählen ausreichend hoch ist. In der Originalplatine wurde der Pegel direkt vor dem
Teiler durch 64 abgegriffen. Bei mir funktionierte der Signaldetektor zwischen 7 und 10 GHz nicht zuverlässig.
Darum habe ich den Signaldetektor bei mir auser Funktion gesetzt. Vielleicht hat ja ein Leser dieses Artikels 
mehr Lust und Erfahrung dieses Problem zu beseitigen.  Ich habe einfach den Abgleichtrimmer R27 auf den Anschlag gedreht wo er ganz sicher nicht sperrt. 
Auf der Steuerplatine sind nachträglich ein 2,2pF Kondensator hinzugekommen. Er ist dem Widerstand R21 
180 Ohm parallel geschaltet. Er kompensiert ein Pegelabfall  bei 150MHz. Das entspricht auf der HF Seite 12,5GHz. Die beiden Kondensatoren C51, C52  15pF entfallen. Zwischen Pin4 und Pin5 des IC U2A
wurde ein SMD Widerstand von 180 Ohm eingelötet. Er verhindert eine Übersteuerung des IC U2A. Es machte sich in der Form bemerkbar, das er bei niedrigen Frequenzen unter 1GHz mitunter die doppelte Frequenz anzeigte. Die Widerstände R39 , R68, R69 sind bei mir ersatzlos entfallen. Die Hysteres des Signaldetektors wurde so groß, das er mitunter garnicht mehr öffnete. R62 wurde in 100 Ohm geändert, R29 in 18Kohm.

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Auf den Fotos ist noch das alte Platinenlayout mit nachträglich aufgelöteten Bauteile zu sehen. Die hier veröffentlchte Platinenlayouts sind auf den aktuellen Stand geändert. Lediglich der R29 ist im Schaltbild 
 noch mit 100Kohm angegeben. Er soll 18Kohm betragen.

Die HF Platine besteht aus 0,8mm dicken FR4 Leiterplattenmaterial.  Die Leiterbahnbreite ist nicht genau auf
50Ohm Impedanz ausgelegt, das hat mein Layoutprogramm nicht hinbekommen. In Verbindung mit 0,8mm dicken FR4 Material liegt die Impedanz bei ca 65 Ohm. Meines Erachtens ist das immer noch Ok.
Sämtliche Koppel und Abblockkondensatoren auf der 12GHz Ebene bestehen aus eine Parallelschaltung von
100pF +10pF + 1pF. Insbesonders der 1pF Kondensator sind für die 12 GHz wichtig. Die größeren Kondensatoren verhalten sich bei der Frequenz schon induktiv.
Als Eingangsverstärker dienen 2 kaskadierte NBB300. der Firma RFMD. Die gibt es z.B. bei Farnell. Es sind Gainblock Verstärker die bis bis 12 GHz mit 12dB Verstärkung spezifiziert sind. Im folgen 2 kaskadierte
Teiler durch 8. Es sind  die HMC363S8G  der Firma Hittite . Diese sind ebenfalls bis 12 GHz spezifiziert.
Als letztes IC folgt ein ERA3, welches die Aufgabe hat den zu kleinen Pegel des Teilers auf den erforderlichen Pegel der Steuerplatine anzuheben. Die 12 V werden über einen gesonderten Anschluss direkt aus dem Netzteil des Zählers entnommen. Diese liegen nicht an der Steckerleiste des Motherboards an.

Aufbauhinweise.

Die Steuerplatine ist bis auf wenige zwei  SMD Bauteile komplett mit bedrahtete Bauteile  aufgebaut. 
Es ist ratsam sämtliche IC Sockel auch von oben komplett zu verlöten. Es gibt bei der Fa. Bürklin 
IC Sockel mit Präzisionskontakten, dessen Plastikkörper etwa 1,5mm über der Platine stehen. Man kommt mit einer feinen schlanken Lötspitze an die Kontakte, und kann sie mit 0,5mm Lötzinn problemlos auf der Bestückungsseite verlöten, sofern man die Sockel als erstes bestückt.  Als Sockel für die HF Platine gibt es bei Conrad  Präzisionsbuchsenleisten für  Steckerleisten mit 0,64mm² Kontakte.  Für die Steckerleiste zur Hauptpaltine ist eine gewinkelte Buchsenleiste erforderlich. Einige Bauteile sind auf dem Foto nachträglich draufgekommen. Zum Beispiel der 150Ohm SMD Widerstand am Eingang des U2A. 

Die HF Platine besteht aus 0,8mm beidseitig mit Kupfer kaschierten FR4  Platine, welche ausschließlich mit SMD Bauteile. Kondensatoren Bauform 0602 Widerstände 0804 bestückt werden.

Als allererstes werden entlang der HF Bahnen und an den Masseanschlüssen der HF und Teiler Ics alle ca 5mm
eine Bohrung für eine Hohlniete zur Durchkontaktierung gebohrt und mit Hohlnieten durchkontaktiert. 
Es ist wichtig das die Masseunterseite bei 12 GHz das selbe Potential hat wie die Masseoberseite sonst funktioniert die ganze Platine nicht. 

Die SMD Bauteile werden danach bestückt. Bei den 12 GHz führende Kondensatoren werden die 100pF und 10pF Kondensatoren senkrecht direkt nebeneinander verlötet. Danach wird der 1pF Kondensator auf die zuvor verlöteten Kondensatoren draufgelegt und verlötet.  Die beiden Teiler Ics werden erst mit 2 schräg gegenüberliegende Beinchen mit Lötpunkte fixiert. Zuvor ist etwas Lötpaste auf die Massefläche unter den Teiler aufzutragen. Aber nicht so dick das es in die Anschlußpads reinläuft. Einen Kurzschluß bekommt man nur schwer wieder weg. Mit einen Lötkolben wird die Unterseite der Platine unter den TeilerICs so lange erhitzt bis ein direkt neben dem IC drangehaltenen Lötzinn anfängt zu schmelzen. Wer einen Refro Lötofen hat ist hier natürlich gut dran. Erst jetzt werden die restlichen Anschlussbeine verlötet und die Verstärker Ics aufgelötet.
An den HF führende Leitungen möglichst sparsam mit Lötzinn umgehen.

Die SMD Buchse wird nicht bis zum Anschlag reingesteckt, sondern mit einen ca 2mm Abstand auf die Platine gelötet. Erst werden die 4  Massebeinchen sowohl von unten als auch von oben gelötet. Achtung  möglichst kurz löten, sonst schmilzt die Isolation womöglich weg. Dann wird von unten mit dem Lötkolben der Innenleiter erhitzt und im Spalt ein wenig 0,5 mm Lötzinn zugeführt. Den Mittelleiter nur so lange erhitzen bis der Mittelleiter Lötzinn annimmt und mit der Platine Verlötet ist. Auch hier genügt ganz wenig Lötzinn.

Es sollte für die Buchse keine Noname Ausführung aus dem Bastlerladen genommen werden, sondern für die Frequenz auch spezifizierte Buchsen von z.B. Telegärtner etc. Die Billigbuchsen haben häufig keine definierte
Impedanz, und wenn man sie einmal festgelötet hat ist die Isolation geschmolzen.

Von den Befestigungslöcher der HF Platine werden nur 2 genutzt um diese mit Hilfe von 10mm Sechskantabstandshalter auf die Steuerplatine zu setzen. Dazu müssen in der Steuerplatine passende Löcher gebohrt werden, und auf der Platinenunterseite der Steuerplatine Isolierscheiben eingesetzt werden. Mir war 

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leider zu spät aufgefallen, das die Blechdose des Eingangsteiles im Wege war, so musste die HF Platine schmaler werden als ursprünglich vorgesehen.
Die Steuerplatine wird mit Hilfe von 5mm  Sechskantabstandshalter und einer 3mm Mutter als Abstandshalter an das Seitenteil festgeschraubt. Die vorhandene Löcher im Seitenteil sind dafür auf 3mm aufzubohren.
Die Steuerplatine ist entlang der Ausenkante auszusägen, sonst passt sie nicht in das Gerät.
						
Einbauhinweise.

Das Gehäuse des Zählers wird geöffnet in dem man den hinteren Druckgussrahmen , welches mit 2 Schrauben befestigt ist entfernt. Man kann danach das Schalengehäuse nach hinten wegziehen.
Als nächstes wird die IEC-Bus Platine entfernt. Sie ist mit 2 Schrauben Vorne an 2 Winkenl befestigt, und mit 2 
Schrauben an der IEC-Bus Buchse befestigt. Nach lösen der selben lässt sich die Platine vorsichtig herausnehmen. Sie ist jetzt noch mit einen Flachbandkabel in einer IC Buchse verbunden. Diese kann man vorsichtig lösen.

Als nächstes wird die Fronteinheit entfernt. Dazu sind die beiden Befestigungsmuttern der BNC Buchsen zu entfernen und seitlich  4 Senkkopfschrauben mit der die Fronteinheit an den Seitenteilen befestigt sind.
Die Leiterplatte an der Front ist mit 4 Schrauben befestigt. Diese sind zu entfernen.
Nach entnehmen der Leiterplatte sind bei den senkrecht angeordnete LED-Lochreihe für die Funktionen
Über und unter der LED Reihe jeweils ein Loch noch verschlossen. Mit einen Glasfaserstift wird mit drehende Bewegungen in diesem Loch die Deckschicht entfernt, bis ein gleichmäßig rundes durchsichtiges Loch in der Folie sichtbar wird. Die zugehörigen LEDs sind bereits bestückt. Der Racal 1991 unterscheidet sich von dem 1992 nur durch die fehlende Baugruppe für den dritten Eingang und einer anderen Frontplattenfolie.

Als nächstes wird eine  passendes Loch für eine SMA Buchse an der vorhandene Vorbohrung  der Frontplatte in die Folie gebohrt. Achtung die Mitte von vorne anzeichnen, weil der Ausschnitt in der Fronteinheit seitlich eine Verdrehsicherung für die BNC Buchse hat. Da reisst man leicht an der falschen Stelle den Lochmittelpunkt an.
Als SMA Buchse sollte man eine Ausführung nehmen welche hinten ein Koaxkabel ancrimpen läßt.
Am anderen Ende des Koaxkabels  wird ein SMA Stecker angecrimpt.

Hat man die Buchse mit samt Kabel montiert und fixiert, beginnt der Zusammenbau der Fronteinheit in umgekehrter Reihenfolge, Vorsicht beim aufstecken der Fronteinheit auf die Hauptplatine. Hat man die Frontplatte erst mal wieder befestigt, sollte man den Zähler kurz ausprobieren ob noch alles funktioniert.

Jetzt kann man als nächsten Schritt erst mal nur die Steuerplatine in die dafür vorgesehene Stiftleiste stecken.

das Gerät müßte jetzt nach dem Einschalten brav zu einen  1992  mutiert sein, und sich auch so  melden.
 Mit den Funktionstasten sind jetzt 2 neue Funktionen erreichbar welches durch die zuvor
freigekratzen Löcher in der Frontplatte durch LEDs angezeigt werden. Nach oben ist jetzt der dritte
Eingangskanal anwählbar und ganz unten ist das Frequenzverhältnis zwischen Kanal 3 und Kanal 2  anwählbar.
Wir wollen aber nur den dritten Eingangskanal anwählen also 1. höher als Kanal A.

An der Stiftleiste  JP2 Pin 2 schließen wir über einen Koppelkondensator von ca 1nF einen Signalgenerator an.
Die Masse an Pin 5. Der Pegel sollte etwa 0,5Vbetragen. Es sollte jetzt die Frequenz des Signalgenerators mal 64 im Display erscheinen. Das Poti R27 ist zuvor so einzustellen, das der Schleifer ganz unten steht also Verbindung mit R35, R38 hat. Ist bis hierhin alles in Ordnung, kann man das Gerät abschalten und die HF Platine auf die Steuerplatine stecken und verschrauben. Auch kann man das Koaxkabel welches von der Frontplatte kommt und zuvor einen SMA Stecker spendiert bekommen hat, an die HF Platine anschließen.

Nach dem Einschalten des Gerätes und der Wahl des kanal C sollte jetzt ein wildes Schwingen im Display angezeigt werden. Irgendwas zwischewn 6 und 8 GHZ. Ein Anschliesen eines Mikrowellensignalgenrators 
sollte jetzt Klarheit schaffen , ob diese Baugruppe auch funktioniert. Es sollte einwandfrei die vom Generator gelieferte Frequenz anzeigen. Die Empfindlichkeit darf dabei zwischen ca –30dbm bei 100MHz und –15dbm bei
12,5 GHz schwanken.  Zu sehen ist das in dem Diagramm welches beide Empfindlichkeitskurven zeigt.

Mit dem Poti R27 kann man jetzt die Schwelle einstellen, bei der gerade noch kein Schwingen angezeigt wird.
Doch ist die Empfindlichkeit bei weiten nicht so hoch. Insbesonders zwischen 7 und 10 GHz ist der erforderliche Pegel schon –9dbm bevor der Zähler freigegeben wird. Ursache ist der HF Detektor im HF Teil der bei 7-10 GHz wesentlich unempfindlicher ist als im restlichen Bereich. Den Fehler habe ich leider nicht gefunden.
Ich habe das Einstellpoti auf Anschlag gestellt und akzeptiere das anzeigen der wilden Schwingung. 
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Vielleicht haben Sie verehrte Leser ja mal die Lust und den Nerv diese Ursache zu finden und zu beseitigen.
Sie können mir die Änderung ja dann mitteilen.				
Ist bis hierhin alles zur Zufriedenheit verlaufen, beginnt der Zusammenbau des Zählers in umgekehrter Reihenfolge. Ein umfassender Funktionstest des komplett verschlossenen Zählers schliesst den Umbau ab.

Viel Spass!

Bezugsquellen der Spezialteile.

MC10116 von http://www.abra-electronics.com  
NBB300 von http://farnell.com/
HMC363S8G von http://www.hittite.com/ 
Servicemanual Racal Dana 1991/1992 von http://bama.edebris.com/manuals/racal/1991/
Hohlnieten von http://www.reichelt.de/  Artikel-Nr.: NIETEN 0,6MM