Drake Crystal Eliminator

Introduction

Drake의 4 시리즈(A, B, C)는 크리스탈을 추가하면 0.5-30MHz 사이의 원하는 500KHz 밴드를 커버할 수 있습니다. 물론 내부 설계상 피해야 하는 부분이 있지만 (Drake의 설명서 참고), 거의 general coverage가 되는 셈입니다. 그러나 크리스탈 소켓의 갯수에 제한도 있고, (T-4X계열의 경우 4개, R-4 계열의 경우 10개 추가 가능) 크리스탈의 가격도 비싸기 때문에 주파수 발진기를 이용하는 방법이 개발되어 왔습니다.

Drake의 FS-4가 바로 이런 것인데, FS-4는 기본 주파수 발진용 크리스탈을 교체하면 SPR-4와 2C에도 사용이 가능합니다. 이 이외에 자작 프로젝트도 있었는데, Ham Radio 1972년 Ham Radio지의 "Frequency Synthesizer for the Drake R-4"라는 것과, 1981년 5월 QST의 "General-Coverage Reception with the Drake R-4C", 그리고 2004년 6월 QST에 나온 Steven Hageman의 디자인이 있습니다.

Drake의 FS-4가 가장 선호되는데, 근래에는 $400-$500 범위를 넘어서는 경우도 있어서 리그 값을 상회하기도 합니다. 따라서 대부분의 사람들은 운이 좋게 싸게 구하지 않는 이상 엄두를 내지 못합니다. 72년의 디자인은 그 이후에 여러 차례 개선이 되었으나, 근본적인 문제가 있는 것으로 이야기가 되고 있습니다 [1]. 81년의 디자인도 역시 안정된 운용에는 무리가 있다는 지적이 있고 [2] 부품 수급에도 어려움이 있습니다. 가장 최근의 2004년 디자인은 PLL, 마이크로콘트롤러, 디스플레이가 들어간 것으로 만족할만한 성능을 보여주는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 주요 부품인 PLL 칩이 생산중지되었으므로 지금은 추천할만한 디자인이 아닙니다.

가장 최신의 디자인들은 DDS를 이용한 것들이 나오고 있는데, 아직 기사화된 것은 없고 개인의 자작품들만 보입니다. DDS를 이용할 때는 디자인에 신경을 쓰지 않으면 spur가 많이 나오므로 검증된 디자인이 필요합니다. 한동안은 Italy에서 DDS-4라는 제품이 Collins와 Drake용으로 생산되기도 했습니다. 특이한 것은, premix signal을 만들어 내지만, 고정이 가변으로, 기기의 메인 튜닝을 고정시켜두고 이 장치에서 튜닝을 하는게 가능했습니다. 문제라면, VFO의 안정도가 나쁘면 디스플레이되는 디지탈 주파수의 오차가 생긴다는 것이죠. 더 이상 생산되고 있지 않는 제품입니다.

저는 2004년 QST의 것을 만들었는데, ARRL handbook이나 QST의 프로젝트용 기판을 판매하는 FAR Circuits에서 기판과 생산중지된 PLL칩과 기타 몇몇 부품을 같이 팔고 있어서 그것을 구입하여 시작했습니다. 2004년 당시에는 가격이 45불이었으나, 2006년경 부터는 79불로 대폭 올랐습니다. 다른 부품의 가격까지 더하면 150-200불의 제작비가 들어가게 됩니다.

Design

기본적인 회로 디자인은 복잡한 것이 없습니다. PC-100 VCO는 제어 전압이 16V까지입니다. PLL 칩의 출력을 OP amp를 이용하여 제어 전압을 만듭니다. PC-100은 50MHz에서 100MHz의 발진 범위를 가지고 있는데, PLL칩으로 적절히 주파수를 만들어낸 후 74AC74로 1/2 또는 1/4로 주파수를 나누어 원하는 발진 주파수를 만듭니다. 그 다음 단에는 low pass filter가 있습니다.

마이크로 콘트롤러의 소프트웨어는 엔코더의 입력을 받아 주파수를 변환합니다. 처음 전원이 들어가면 PLL칩이 10MHz를 1/8로 1.25MHz가 콘트롤러 클락으로 들어가지만, 일단 코드가 수행되면 PLL칩을 프로그램하여 10MHz로 클락을 바꿉니다. 이게 이루어지지 않으면 엔코더를 돌렸을 때 디스플레이의 변화가 매우 느리게 나타납니다. 역으로 전원 공급 후 클락이 10MHz로 올라간다면 PLL칩이 제대로 프로그램되고 있음을 보여주는 것입니다. 따라서 출력 발진 주파수도 제대로 맞춰질 가능성이 큽니다. 이 상태에서도 VCO의 출력이 제대로 나오지 않는다면 VCO 자체나 loop filter(op amp)의 문제일 것입니다.

기본적으로 패키지화된 부품을 사용하므로 문제점을 밝혀내는 것은 어렵지 않습니다.

Assembly

FAR Circuits에서 도착한 소위 mini-kit에는 PLL칩인 MC145170, Minicircuits의 POS-100 VCO, 5V voltage regulator 두개, 74HC74, 프로그램된 PIC controller, OP27 op amp가 들어 있었습니다. Frequency dividor로 쓰는 flip-flop이 들어간 7474는 원 기사에 74AC74를 쓰도록 되어 있으나, 74HC74가 들어 있었습니다. 다른 기회에 보게된 또 다른 키트에는 74AS74가 들어 있었습니다. 저의 경우는 74HC74가 제대로 동작하지 않았습니다.

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PLL 칩은 surface mount로 나중에 붙이기 힘들 것으로 생각되어 미리 납땜을 하고 정전기를 막기 위해 호일로 싸두었습니다. 조립이 끝난 후 벗겨낼 계획이었습니다. 양면 기판이지만, through-hole plating이 아니기 때문에 양쪽에 납땜을 해줘야 했습니다. 따라서 IC 같은 것들은 미리 붙이지 않으면 나중에 힘이들 것으로 생각되어 먼저 납땜을 하였습니다.


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실드 케이스는 작은 알루미늄 케이스를 이용하도록 되어 있는데, 부품이 지나가는 곳들 잘라내서 홈을 만들어줘야 합니다. 이 실드 박스를 방열판으로 이용하게 되는데, 레귤레이터 가운데 5V용 하나가 열이 많이 납니다. VFD가아니라 LCD를 쓰면 그렇지 않을겁니다. 먼저 실드 박스를 장착하고 레귤레이터를 위치를 보아가며 납땜합니다. 실드 박스에 구멍을 뚫어 나사못을 박아서 레귤레이터를 밀착시켜야 하기 때문에, 미리 위치를 정하여 납땜해야 합니다. 그 다음 위치를 마킹하고 고정할 구멍을 뚫습니다.

기사에 나온 47옴 3W 저항은 VFD를 쓰는 관계로 5W로 높였습니다. 그리고 기판 밑에 붙여서 샤시 하부에 닿게 되어 방열이 되도록 했습니다.

Debugging


저녁 시간에 짬짬이 시간을 내어 조금씩 조립을 하여 약 열흘이 지나서야 겨우 조립을 끝냈습니다. 처음에 파워를 넣자 VFD에 글씨가 보입니다. 콘트롤러 칩에 클락이 들어가고 있다는 증거지요. 그러나 엔코더를 돌리니 밴드 둘 사이만 오갑니다. 엔코더 배선이 잘못된 것이었습니다. 그 밖에 기판 윗면에 납땜을 빼먹은 곳이 두어곳 있어서 PLL칩이 제대로 제어되지 않았습니다. 이런 실수들을 바로잡자 발진 출력이 나오기 시작했습니다. 임시로 종이 박스에 마운트하고 R-4A에 연결을 했습니다.

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그런데, 몇몇 밴드에서 white noise가 들리거나 아예 작동을 하지 않는 것을 발견했습니다. 어떤 밴드는 작동을 하다가 몇 초후에 white noise로 바뀌어 버립니다. 이 때까지 아직 오실로스코프가 없어서 제대로 진단을 못했습니다. 그러나 가능성은 두 가지. PLL이 lock이 안되는 것이거나 dividor의 문제.

거의 한 달이 지나서야 적당한 오실로스코프를 적당한 가격에 구할 수 있었습니다. 정상적으로 작동하는 밴드는 출력이 깨끗하게 나옵니다.

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비정상적인 밴드는 깨끗하지 않습니다.

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다행히도 비정상 밴드에서도 VCO의 출력은 깨끗합니다. 따라서 문제는 다름이 아닌 74HC74! Datasheet을 구해서 읽어보니 max clock frequency도 Vcc 4.5V에서 약 70MHz밖에 안됩니다. 그리고 propagation deleay도 훨씬 길고요. 1/4을 위해 flip-flop 두개를 직렬로 연결하면 좋은 결과가 나올리가 없습니다.

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이 문제는 74AC74를 구하여 교체하니 해결되었습니다. 소잃고 외양간 고친다는 격이지만, 이번에는 소켓을 이용했습니다.

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이제 케이스 가공. 앞뒤면이 두꺼운 알루미늄 판인데, 특별한 도구도 없고하여 전통적인 방식으로 접근했습니다. 사각형 창을 뚫는데 드릴로 줄이어 구멍을 내고, 니퍼로 사이를 끊어서 큰 구멍을 내는 것이죠. 그 다음 줄칼로 갈아서 네모를 만듭니다. 모양이 잘 안나오면 전면에서 필터와 함께 까만색 테두리를 씌울 생각으로 용감하게 도전했습니다. 그런데 생각보다 결과가 괜찮네요.

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뒷면은 전원 스위치, 전원 코넥터, 그리고 출력용 BNC가 달려 있습니다. 기판은 좀 앞으로 당겼는데, 나중에 전원 트랜스를 내장할 가능성을 생각해서입니다.

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네모난 구멍의 단면을 까만 유성 매직으로 칠하니 단면의 조잡함도 표가 거의 나지 않는군요. 집안을 뒤지다가, 작은 플라스틱 화장품 주머니를 발견, 가위로 수걱 수걱 잘라서 필터를 만들었습니다. 마침 가지고 있던 카페트용 강력 양면 테이프로 샤시에 붙이고, 그 위에 VFD를 양면 테이프로 붙였습니다. 비닐같은 재질에다가 유리이다 보니 아주 튼튼히 잘 붙었습니다. 원래는 브래킷을 만들어 고정해야 하나 고민했는데, 간단히 해결됐습니다. 아직 레터링은 감히 넣지 못하고 있습니다.

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원 기사와 PIC용 code는 제가 2004년에 저장해 놓은 것을 용케도 지우지 않고 아직 가지고 있었습니다. 원 기사에 기판 패턴은 나오지 않습니다.

References


[1] http://www.mail-archive.com/drakelist@zerobeat.net/msg08022.html<br>
[2] http://www.mail-archive.com/drakelist@zerobeat.net/msg07999.html<br>
[3] http://www.oocities.com/hagtronics/r4.html<br>
[4] http://www.n0ss.net/drake_het_osc_xtal_elim_notes.pdf<br>
[5] http://www.n0ss.net/drake_xtal_elim_proj_parts_list.xls<br>