OK1HDU (Hamradio, electronics, travelling, photography, ok7u...)
599.cz - Homepage 599.cz - Homepage Memorial OK1WC SOTA - Vrcholy v éteru Optimalizováno pro web... Než něco pošlete dál, přečtěte si ... hoax.cz
     Dnes: 23. 12. 2014    fotogalerie na 599.cz spaceweather.com Bouřky v Česku v novém okně Bouřky v Evropě v novém okně Ionogram Průhonice v novém okně Contest calendar WA7BNM v novém okně RSS summary of the last 7 articles    
O   Hlavní menu
Hlavní stránka

Zajímavé odkazy

Download

Zasílání novinek

O   Seznam rubrik
mínus technika, bastleni
mínus provoz, závody
mínus Od krystalky k SSB
mínus ostatní

f e e d b a c k


O   Počasí v Holicích
JO70XC



<a1>technika, bastleni</a1>

Zpět QRP měřič výkonu a PSV-metr pro pásma KV

Vydáno dne 24. 07. 2011 (5435 přečtení)

QRP Wattmeter and SWR meter Již před delším časem jsem si koupil v secondhandu LCD displej 2x20 znaků. Byl velice levný, tak proč to nekoupit? Jenomže se mi tu od té doby válel a nějak jsem pro něj nenacházel využití. Nedávno jsem zavítal na stránky Raye G4FON, abych si stáhl novější verzi jeho programu Morse Trainer. A tam jsem našel ispiraci v jeho konstrukci QRP Wattmetru.


Vyzkoušel jsem několik různých zapojení směrového vazebního členu (dále nazývám "senzor"). Jak jednotoroidních tak dvoutoroidních, s toroidy z různých materiálů a různých velikostí. Mnohokrát jsem přečetl oba články Jardy OK1AYY. (je v nich sice mnoho informací, ale tak nějak neuspořádaně, takže je dost těžké se v textu orientovat). Hlavní problém byl, že výstupní napětí ze senzoru je poměrně nelineární, hlavně v rozsahu pod 1W. To nevadí, pokud použijeme ručkové měřidlo a stupnici nakreslíme podle skutečně naměřených hodnot. Při použití A-D převodníku a zobrazení na displeji to však není možné.

     
první pokusy
prvni prototyp
PWR 1.5W; SWR 1.5
první pokusy první prototyp hotovo (1,5W; PSV=1,5)
     





    Deska senzoru

Nakonec jsem skončil u zapojení podle obrázku níže. Linearizace diod je provedena tím, že mají nastavený určitý "klidový proud" pomocí poměrně velkých odporů v sérii. To ale způsobí že na výstupu pro A-D převodník je nějaké stejnosměrné napětí (U forward, U reverse) i tehdy, když senzorem neprochází žádný VF výkon. A při procházejícím výkonu je o tuto hodnotu zvýšeno napětí z detekčních diod. Do zapojení je proto přidána třetí "referenční" dioda, kterou prochází stejný proud jako oběma detekčními. Napětí z této referenční diody (U ref) je rovněž přivedeno na A-D převodník a v procesoru je jeho hodnota odečtena od obou napětí získaných z detekčních diod.

     
SWR_sensor_sch
SWR_sensor_pcb
SWR_sensor_pcb_parts
schéma desky snímače plošný spoj (strana mědi)
(není v měřítku)
jak ho osadit
(hodnoty viz.schéma)
     

Původně jsem měl v úmyslu umístit vše na jednu desku plošného spoje. Později jsem se rozhodl oddělit vlastní měřicí obvod (senzor) a vyhodnocovací a zobrazovací obvod (procesor) na samostatné destičky, které jsou propojeny pětižilovým kabelem s konektory. Jednak se tím vyhneme možnému rušení od procesoru a také nemusíme vést koaxiální kabel do přístroje na stole. (senzor může být zapojem do kabelu někde pod stolem). Z tohoto důvodu jsou na destičce senzoru operační zesilovače, které převedou signály z diod na nižší impedanci. Zkoušel jsem to i bez těchto OZ a i při nestíněném kabelu délky asi 1,5m jsem nezaznamenal žádné problémy. Přesto jsem tam nakonec ty OZ použil. Pokud někomu výsledné schéma desky senzoru nápadně připomíná zapojení Watmetru W2 od firmy Elecraft, rozhodně nejde o podobnost čistě náhodnou.

     
SWR_sensor_foto
SWR_sensor_detail
SWR_sensor_trafo
osazená DPS detail další detail
     

    Použité součástky

  • Destička plošného spoje je navržena pro konektory BNC, které jsou v QRP konstrukcích celkem časté. Pro použití konektorů PL nebo jiných by neměl být problém udělat propojku kouskem drátu.
  • Transformátorky jsou navinuty na dvou slepených toroidech Amidon FT 50-43. Vinutí má vždy 12 závitů. Jeden závit primáru (sekundáru) je proveden kouskem silnějšího drátu (odstřižený vývod 2W odporu), kterým je transformátorek těsně přitažen k desce (viz. fotografie)
  • Protože tu není použita typická konstrukce s kouskem koaxiálního kablíku se stíněním uzemněným na jednom konci a protaženým toroidním jádrem, musíme jeho kapacitu nahradit kondenzátorem C30. Pro kmitočty asi do 10 až 14 Mhz by nebyl nutný, ale na vyšších pásmech se již vřazená indukčnost začne projevovat a bez kompenzace tímto kondenzátorem by PSV-metr na pásmu 28 MHz ukazoval falešné PSV 1,3 až 1,4. Kondenzátor by měl být na vyšší napětí a s co nejmenší kapacitou, při které bude na pásmu 28MHz při umělé zátěži ukazovat PSV 1,0. Pravděpodobná hodnota bude někde okolo 20pF. Pokud by někomu vyšel více než 30pF je to podezřelé.
  • Zatěžovací odpory 50Ω jsou složeny vždy ze tří běžných odporů 150Ω 0,6W. Podle mého názoru nejsou pro rozsah KV potřeba žádné speciální bezindukční odpory.
  • Diody jsem použil BAT46. Původně jsem zkoušel mnohem dražší (cca 9 Kč/kus) 1N5711, ale BAT46 (1,50 Kč/kus) jsou lepší (lineárnější) již při malých proudech. Doporučil bych vybrat z většího množství diod tři kusy s pokud možno stejným napětím v propustném směru, při pokusném připojení na desku.
  • S diodami souvisí i odpory R7, R8 a R9. Nemusejí být nějak extra přesné pokud se jedná o jejich absolutní hodnotu, ale všechny tři pokud možno stejné. O výběru diod a případném donastavení pomocí odporu je poznámka v odstavci o oživení a nastavení.
  • Operační zesilovače jsou speciální pro nesymetrické napájení. Deska je navržena pro dvojice OZ v jednom pouzdru. Vyzkoušel jsem LMC6482 (ty jsou například ve výše zmíněném watmetru Elecraft) nebo MC33202P, které nabízí například GES. Ve funkčnosti jsem nepoznal rozdíl. Běžné dvojité operační zesilovače pro symetrické napájení (např. MC1458) tu nebudou fungovat. Jak jsem již napsal výše, pro délku kabelu do zhruba 1,5m (možná i víc, nezkoušel jsem), by bylo možné OZ vynechat a nahradit drátovou propojkou.
  • Trimr 1k je miniaturní typ naležato Piher PT-6-L.
  • Všechny kondenzátory jsou keramické (kromě elektrolytu na napájecím napětí). Kondenzátory 1n oddělující trafo a diody jsem použil fóliové, protože jsem je zrovna měl po ruce. Asi by mohly být použity také keramické na napětí alespoň 100V.




    Obvod pro výpočet a zobrazení hodnot (procesor)

Z destičky senzoru jsou 3 stejnosměrné signály přivedeny na destičku s procesorem. Po kabelu je opačným směrem na destičku senzoru přivedeno napájecí napětí. Spolu se zemí (mínus napájení) je tedy potřeba celkem pět vodičů.

Jednočipový počítač ATMEGA-48 v DIL pouzdře obsahuje celkem 6 multiplexovaných vstupů A-D převodníku. Pro potřeby měření jsem využil 4 z nich. Uf (ADC0-pin 23), Ur (ADC2-pin 25), Uref (ADC1-pin 24) a vstup pro napětí z odporového trimru, kterým můžeme jemně dostavit zobrazovanou hodnotu (R4-Adjust PWR na ADC3-pin 26). Na vstupech jsou ochranné zenerovy diody proti zemi spolu s potřebnými odpory (R1-D1, R2-D2, R3-D3). Asi by tam nebyly nutné, ale vzhledem k tomu, že jsem použil devítipinový konektor, tak by se mohlo stát, že bychom to ve změti kabelů připojili do nějakého COM portu PC. Vstupy A-D převodníku mají docela vysokou impedanci, takže malé odpory v sérii (ani odpory 1k5 na výstupech OZ na desce senzoru) nemají na měřenou hodnotu prakticky žádný pozorovatelný vliv. Referenční napětí převodníku na vstup AREF procesoru (pin 21) je přivedeno ze stabilizovaného napájecího napětí 5V a podle doporučení výrobce filtrováno (R13-C5).

     
SWR_proc_sch
SWR_proc_pcb
SWR_proc_pcb_parts
schéma desky procesoru plošný spoj (strana mědi)
(není v měřítku)
jak ho osadit
(hodnoty viz. schéma a text)
     

Oscilátor procesoru pracuje s vnějším krystalem 22,1184 Mhz (Q1, C3, C4). Mohli bychom sice použít vnitřní RC oscilátor, ale ten má maximální kmitočet 8 MHz a je tedy nebezpečí, že bychom mohli v KV rozsahu najít více různých hvizdů od procesoru. S tímto krystalem, se mi nepodařilo žádné interference nalézt, i když nevylučuji, že se nějaké nenajdou.

Na vstup PC.5 (pin 28) se přes konektor SL2 připojí proti zemi tlačítko "přepínání rozsahu" (o něco níže vysvětluji, jak to s těmi rozsahy je). Vstup PC.4 (pin 27) je nevyužitý. Původně na něm bylo tlačítko zapínání LED podsvětlení displeje. Z důvodu nedostatku paměti jsem však tuto funkci zrušil (LED se prostě zapíná tlačítkem s aretací), ale plošný spoj jsem již neměnil.

Dislej 2x20 znaků je připojen plochým kabelem přes desetipinový konektor SL7. Jeho kontrast se nastavuje trimrem R12. (U mého kusu displeje nastavení kontrastu nefunguje a displej něco ukazuje pouze v jedné krajní poloze trimru. Tak už vím, proč byl ve výprodeji a tak levný, hi)

Na konektor SL1 jsou vyvedeny všechny signály potřebné pro nahrání programu do paměti ATMEGA-48. Pokud použijeme předem naprogramovaný jednočip, není nutné tento konektor na desku osazovat.

     
SWR_proc_foto
SWR_proc_foto_2
připojení displeje
osazená deska procesoru jiný pohled připojení displeje
     

K součástkám použitým na desce s procesorem snad není potřeba žádný komentář. Jejich hodnoty jsou uvedeny ve schématu a konkrétní typy jsou, doufám, zřejmé z fotografií. Na destičce jsou dvě drátové propojky, jedna z nich pod paticí pro jednočip. Přivádí signál Reset ke konektoru programování jednočipu. Pokud bychom tento konektor neosazovali, není nutná ani tato drátová propojka.






    Software

SW jsem napsal v demo verzi programu BASCOM-AVR 1.11.8.1. Existují sice novější verze, ale mě tato vyhovuje, neboť již znám její chyby a počítám s nimi. V novějších verzích jsou možná opraveny, ale zcela jistě mají zase jiné chyby, které bych musel pracně zjišťovat. Navíc ty novější verze generují větší výsledný kód, takže pokud jsem blízko limitu free verze (max 4096 bytes vygenerovaného kódu), s novou verzí již tento limit překročím.

Činnost programu je v principu jednoduchá. V nekonečné smyčce se načítají hodnoty čtyř napětí: Uf, Ur, Uref, a Adjust PWR. Z nich se vypočítávají potřebné údaje a zobrazují se na displeji.

  • Nejdřív se od hodnot Uf a Ur odečte Uref, abychom získali "čisté" hodnoty těchto napětí.
  • Z čistého napětí Uf se vypočítá druhá mocnina, čímž získáme číslo úměrné výkonu. Vynásobením, nebo vydělením správným koeficientem (proměnná Adjust) a vhodným zformátováním získáme údaj výkonu, který můžeme zobrazit na horním řádku displeje. Proměnná Adjust je částečně ovlivněna číslem získaným A-D převodem napětí z odporového trimru R4. Tím je umožněno přesně donastavit zobrazovanou hodnotu podle skutečného výkonu. Zobrazený výkon je samozřejmě správný pouze při hodnotě zátěže, při které ho nastavíme (50 Ohmů).

    V podstatě jen pro efekt (pro využití dvacetiznakového displeje) je kromě vypočítané hodnoty zobrazen rovněž "bargraf" ze znaků " = ". Bargraf má ve vztahu k výkonu lineární průběh. Přepínání rozsahů mění pouze koeficient který ovlivňuje jak moc bude bargraf výkonu roztažený. Například rozsah 5W znamená, že při výkonu 5W bude zobrazeno právě přesně všech 20 dílků displeje. Nic jiného přepínání rozsahů neovlivní. Jestliže například při rozsahu 5W bude přístrojem procházet 10W, nic se nestane, nic se nepřetíží, prostě bargraf bude ukazovat všech 20 dílků a uprostřed řádku bude zobrazena skutečná hodnota výkonu.

  • Z čistých napětí Uf a Ur se vypočítá hodnota PSV. Je použit notoricky známý vzorec PSV=(Uf+Ur)/(Uf-Ur). Vypočítaná hodnota je pouze patřičně zformátována a poté zobrazena na spodním řádku displeje.

    Jak známo, může hodnota PSV nabývat dost extrémních hodnot (viz. vzorec výše). Proto se mi zdálo vhodné zobrazit bargraf PSV v logaritmickém měřítku. Tím se "roztáhnou" hodnoty v dolní části rozsahu, dejme tomu 1,0 až 5,0 a naopak se "zhustí" vysoké hodnoty PSV, které nás v podstatě nezajímají (prostě víme, že PSV je vysoké, a to nám stačí). Přepínání rozsahů výkonu nemá na zobrazení PSV žádný vliv.

  • Dále program obsahuje různé podmínky, kterými jsem se snažil zajistit splehlivou funkci (vyloučit extrémní vypočítané hodnoty, s kterými by nebyl program schopen dále manipulovat a podobně...). Vůbec si nejsem jistý, jestli se mi to stoprocentně podařilo.

    Poznámky ke stavbě a oživení

Nepředpokládám, že by se našlo příliš zájemců o stavbu, ale kdyby přece jenom, tak tady je pár rad jak na to a na co si dát pozor.
  • Obrázky obou desek plošných spojů ve formátu .pdf jsou ke stažení v sekci download. Při vytisknutí v měřítku 100% je lze použít pro výrobu DPS třeba "žehličkovou metodou". Ke stažení je tam rovněž zdrojový kód programu i zkompilovaný kód pro jednočip. Nastavení "FUSES" jednočipu je na jednom z obrázků níže.
  • Při výběru diod do senzoru měříme napětí na vstupech operačních zesilovačů (na kondenzátorech 1uF) proti zemi v klidovém stavu (bez procházejícího výkonu) a s trimrem 1K nastaveným přibližně do poloviny rozsahu. Napětí by mělo být někde v rozsahu 200 až 500 mV. Těžko najdeme tři diody s naprosto stejným napětím. Definitivně je do desky zapájíme tak, aby na pozici D1 (detekce Uf) byla ta s nejvyšším napětím, a na pozici D3 (referenční napětí) ta s nejnižším. Pokud by to bylo jinak, mohl by PSV metr ukazovat při nulovém procházejícím výkonu nesmyslné hodnoty PSV. Pokud se nám to stane, je možné si pomoci připájením odporu v řádu jednotek MΩ (cca 3M3) paralelně k příslušnému kondenzátoru 1uF ze strany spojů.
  • A-D převodník je schopen zpracovat nejvyšší vstupní napětí 5V. Tím je tedy omezen nejvyšší měřitelný výkon. Nastavením vyššího proudu diodami pomocí trimru R15 (1kΩ) sice získáme možnost přesnějšího měření PSV při malých výkonech (pod 0,2W), ale omezíme tím maximální měřený výkon, protože z rozsahu 5 Voltů spotřebujeme o něco více na Uref. Naopak při nastavení nulového klidového proudu diodami (běžec trimru na zem) můžeme měřit i vyšší výkon (asi 35 W), za cenu menší přesnosti při malých výkonech. Nastavení trimru zhruba na střed (napětí v klidu na vstupech OZ cca 450 až 500 mV) umožní celkem přesně měřit PSV i při malých výkonech a maximální měřený výkon asi 25 Wattů.
  • Poté, co nastavíme proud diodami, je potřeba trimrem R4 (na desce procesoru) donastavit přesné zobrazení výkonu podle nějakého referenčního Wattmetru. Já jsem na to použil průchozí zátěž 30dB/50Ω a spektrální analyzátor.
  • Hodnoty "rozsahů" jsou 20W, 5W a 2W na plný rozsah (20 dílků bargrafu) Při přepnutí se údaj ukládá do EEPROM jednočipu, takže zůstává uložený i po vypnutí napájení. (Výrobce udává 100 tisíc R/W cyklů, takže by to snad mělo chvíli vydržet, hi). Po naprogramování jednočipu je tato hodnota nulová a bargraf se nezobrazuje. Stačí ale dvakrát přepnout rozsah a hodnota se do EEPROM zapíše.

     
zadní panel
vnitřek
set fuses
zadní panel vnitřek nastavení FUSES
     
     
100mW-SWR_1.4
9W-SWR_5.3
25W
PWR: 100mW
PSV: 1,4
PWR: 9W
PSV: 5,3
PWR: 25W
umělá zátěž
     







    Závěr

Jak jsem již napsal na začátku, přístroj jsem si postavil prostě jen tak pro zábavu. Nikoliv z nutnosti, že bych potřeboval něco s ním měřit. Od počátku jsem to považoval spíše za jakýsi indikátor, než skutečný měřicí přístroj. Ostatně každý, kdo to dneska myslí s amatérským vysíláním alespoň trochu vážně si pro nastavování antén již určitě pořídil nějaký anténní analyzátor, nebo má možnost si ho někde půjčit. Na druhou stranu je průchozí watmetr s PSV metrem docela šikovný "provozní" měřák. Člověk si hned všimne, že zapomněl přepnout anténu při přechodu na jiné pásmo a podobně.

Proto mne na výsledném přístroji docela překvapilo, jak je měření výkonu kmitočtově nezávislé v celém rozsahu krátkých vln. Pokud ho přesně nastavím například na kmitočtu 7MHz, ukazuje stejnou hodnotu na všech pásmech od 3,5 do 29 MHz. Pouze v pásmu 1,8MHz ukáže asi o 10% více (tedy například 1,1W místo skutečných 1,0W), ale pásmo 160m to už jsou střední vlny, že? Správný výkon to změří dokonce i na 50MHz, ale PSV zde již ukazuje špatně.

Trošku nepříjemné je rychlé blikání displeje, viditelné z určitého úhlu při konkrétním nastavení kontrastu. Je dáno tím, že měření probíhá v nekonečné smyčce a údaj na displeji se přepisuje přibližně 10x za sekundu.

Pro zvětšení rozsahu měření výkonu, by bylo potřeba zařadit do všech tří měřených signálů (Uf, Ur, Uref) stejné děliče napětí. Také by bylo potřeba zajistit aby nedošlo k přesycení jader transformátorků.

rozsah 2W

Jarda ok1hdu


   | Celý článek |      e-mailtisk clánku
 

Zpět (klikni)

O   Novinky
05.12.2014:
Výsledky Tesla Memorial 2014
Svaz Radioamatérů Srbska (SRS) publikoval na svém webu finální výsledky prvního ročníku závodu Tesla Memorial HF CW Contest 2014.

21.10.2014:
EU HF Championship 2014
Konečné výsledky letošního EU HF Championship jsou na webu Slovinského contest clubu.

20.10.2014:
HF Marconi Memorial Contest
Na webu pořadatele jsou zveřejněny výsledky letošního ročníku (2014) Marconi Memorial Contest (HF CW).

04.10.2014:
IOTA contest 2014
Pořadatel IOTA contestu zveřejnil předběžné výsledky letošního (2014) ročníku.

22.08.2014:
HP 2014 - Výsledky
Na webu OK1KHL byly zveřejněny finální výsledky Závodu o Holický Pohár 2014

O   kalendář
<<  Prosinec  >>
PoÚtStČtSoNe
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31     

O   DX clustery
Reverse Beacon Network v novém okně

DX Cluster OH2AQ v novém okně

DX Cluster F5LEN v novém okně

Tento měsíc


historie návštěv

Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.