VF Wattmetr

Úvod:

Na svých stránkách jsem dosud publikoval pouze konstrukce své nebo takové na kterých jsem se nějakou významnou částí podílel. Náhodou jsem ale narazil na konstrukci VF Wattmetru od Mirka OK1DGI která se mi tak líbila a považuji ji za natolik užitečnou že jsem se ji rozhodl popsat a se svolením autora umístit na svých stránkách. Popisuji zde své provedení tohoto přístroje. Výhodou tohoto přístroje je, že umožňuje zadat předřadný útlum a přepočítává podle něj naměřené hodnoty. Přístroj rovněž umí zadat jednu naměřenou hodnotu jako referenční bod a měřit rozdíl aktuálně měřeného výkonu od tohoto referenčního bodu.

Wattmetr podle tohoto návodu si smí kdokoliv vyrobit pro svou potřebu ale nesmí být vyráběn komerčně.

Popis zařízení:

Popisovaný Wattmetr používá jako detektor diodovou sondu. Podle použité sondy je Wattmetr možné používat v kmitočtovém rozsahu od DC až do GHz oblasti a v rozsahu výkonů cca -50dBm až +20dBm.

Srdcem přístroje je procesor ATMEGA 168. Ten provádí všechny potřebné výpočty a prezentaci naměřených výsledků. K procesoru je připojen 4x20 LCD displej, převodník MAX232 a vstupní jednotka s 24 bitovým převodníkem AD7783. Pro dosažení nejvyšší citlivosti vstupu je převodník od digitální části oddělen optrony a DC/DC konvertorem. Tak se omezí rušení vstupního dílu z digitální části. Celá vstupní jednotka je tak zcela oddělena od ostatních částí přístroje. S vodivou krabičkou přístroje je spojena v jediném bodě - na kostře vstupního BNC konektoru. Všechny ostatní části přístroje jsou od krabičky přístroje galvanicky oddělené. To vše za účelem potlačení rušení převodníku.

Měřené napětí od sondy přichází na vstupní BNC konektor a přes odpor R12 na vstup převodníku AD7783. Abychom dosáhli vysokou stabilitu a teplotní stálost je použita precizní reference AD441. Tyto dva obvody zajišťují vysokou přesnost měření. Komunikační rozhraní převodníku je odděleno od digitální části optrony OK1, OK2 a OK3. Oddělený vstup pro přepínání rozsahů (RANGE) je sice připraven ale nakonec ho nebylo nutné použít. Po oddělení signály z převodníku DOUT, /CS a SCLK vstupují do procesoru který je dále zpracovává. Vstupní jednotka je napájena přes oddělovací impulsní zdroj DC1. Kondenzátor C10 musí být kvalitní LOW ESR typ.

LCD je připojen běžným 4 bitovým připojením. Jeho kontrast se nastavuje trimrem P1.

Na port D procesoru je připojena klávesnice kterou se přístroj ovládá. Přes diody D1 až D6 je připojen vstup INT0 procesoru takže každý stisk klávesy vyvolá přerušení.

Na vstupy RXD a TXD procesoru je připojen obvod MAX232 který zajišťuje komunikaci s PC přes běžný COM port.

Na port PB3 je nakonec připojen piezoměnič který obstarává akustické signály vydávané přístrojem.

Přístroj může být napájen ze sítě nebo ze zdroje cca 9 až 20V. Napájení ze sítě jde přes vypínač do transformátoru 220/15V 3VA. Pak je usměrněno diodovým můstkem. Přes diodu D6 se přivádí případné externí napětí. Následuje impulsní zdroj s výstupním napětím 5V osazený obvodem LM2574-05. Cívku L1 je nejlepší zakoupit hotovou. Já ji ale vyrobil namotáním asi 2m drátu o průměru cca 0,4mm na žlutý toroid získaný z vyřazeného PC zdroje. Je ovšem nutné aby indukčnost této cívky odpovídala přibližně 330µH. Kondenzátory C8 a C17 musí být kvalitní LOW ESR typy. Dioda ZD1 slouží jako ochrana při selhání impulsního zdroje.

Klišé pro výrobu základní desky fotocestou.

Konstrukce přístroje:

Celý přístroj je osazen na základní desce plošných spojů. Na ní jsou osazeny všechny součástky kromě vstupní jednotky. Ta má vlastní DPS která ae do základní desky zapojuje jako modul. Celá základní deska je na krajích přišroubována k hranolkům které jsou součástí krabičky přístroje. Od těchto hranolků je přístroj galvanicky oddělen.

Zásadní na celé konstrukci je provedení vstupní jednotky. Ta je osazena na oboustrané DPS.

Klišé vstupní jednotky pro výrobu fotocestou.

Spodní strana tvoří zemní plochu. Nesmí být ale propojena se stínící plechovou ohrádkou. Na tuto zemní plochu jsou propojeny všechny čtvercové plošky kromě těch ke kterým je připojen krystal. Navíc je na zemní plochu připojen přívodní pin "0V IZ". Všechny ostatní přívodní piny jsou od zemní plochy odizolovány odfrézováním zemnící plochy kolem děr. Celá vstupní jednotka je obehnána plechovou stínící ohrádkou která je připájená k měděnému rámečku kolem strany součástek.

Oproti mému provedení by bylo patrně lepší umístit krystal z druhé strany DPS. Do všech připojovacích bodů připájíme krátké propojovací dráty kterými celý modul vstupní jednotky nasuneme do odpovídajících děr základní desky a připájíme. Nezapomeňte propojovací drátek na pin "0V IZ" propájet i z druhé strany DPS na zemní fólii. Pro zajištění mechanické pevnosti připájíme silnějsími drátky plechové stínění k izolovaným čtverečkům na základní desce.

velmi důležitý je způsob připojení přívodního koaxiálního kablíku. Ten prochází dírkou v plechovém stínění a opletení kabelu je k němu připájeno. Živý konec kabelu je připojen na odpor R12 který ho spojuje se vstupem převodníku +IN. Ten je rovněž spojen odporem R11 se stínící ohrádkou v místě průchodu vstupního kabelu. Odpory R11 a R12 nejsou osazeny na DPS ale jejich zapojení je provedeno vzduchovou montáží. Jen tak se podařilo zajistit minimální šum A/D převodníku. Vývod -IN je připojen krátkým drátkem také na stínící ohrádku v místě průchodu přívodního kabelu. To znamená že stínění přívodního kablíku, zemní konec odporu R11 a připojení na -IN musí být spojeno do jednoho bodu. Musíme si uvědomit že měříme stejnosměrné napětí o velikosti mikrovoltů a tomu musí být podřizeno vše. Přívodní kablík je vhodné použít kvalitní, dobře stíněný a nejlépe teflonový abychom ho pájením nepoškodili. Já pro propojení použil tenký semirigid.

Zcela zásadní vliv na dosažitelné parametry přístroje mají odpory R11 a R12. Pokud použijeme nevhodné typy může jejich šum zcela degradovat parametry celého přístroje. Při prvních pokusech jsem použil jako R11 odpor Tesla TR191 a jako R12 SMD odpor ze "šuplíku". Přístroj šuměl až 150µV. Po výměně odporu R12 za ruský odpor typu MLT se šum zhoršil až na 200µV. Přitom samotný převodník šumí nějaký 1 až 2 µV. Proto je bezpodminečně nutné použít na pozici R11 a R12 velmi kvalitní nízkošumové odpory s kovovou vrstvou. Takové lze najít i mezi běžně dostupnými levnými metalizovanými odpory. Ovšem nelze doporučit nějaký konkrétní typ. Jednotlivé kusy se i u stejného typu odporu značně liší. Proto jsem nakonec objednal u Farnella velmi kvalitní přesné odpory se zaručeným malým šumem. Jejich cena ovšem není právě lidová. Na místě R11 jsem použil odpor Vishay Dale PTF series typ PTF651M0000BZEK. Tento odpor má kromě dalších špičkových parametru i zaručovaný velmi nízký šum. Ovšem jeho cena je kolem 70kč za kus. Jako R12 jsem použil SMD odpor Panasonic ERA series typ ERA8AEB224V v ceně kolem 30kč. Ovšem minimální objednací množství u tohoto typu bylo 5 kusů. S těmito odpory jsem se dostal na šum vstupní jednotky v jednotkách µV. Je jistě možné experimentovat s levnějšími typy odporů. Ty mnou uvedené jsou ale sázkou na jistotu. V popsaném provedení šum mého Wattmetru nepřesahuje 3 až 5µV. Při nulovém výkonu nebo otevřeném vstupním konektoru přístroj navíc ukazuje malé stejnosměrné napětí okolo 100µV. Jde zřejmě o napěťovou nesymetrii obvodu. Toto napětí není nutné kompenzovat. Přístroj si ho uloží při kalibraci a počítá s ním.

Krabičku přístroje jsem vyrobil jako obvykle spojením čelního a zadního panelu vyrobených z kuprextitu distančními sloupky. Ty spodní jsou vyrobeny z hranolků, ke kterým je přišroubována základní deska, spodek skříňky a kryt ve tvaru písmene U. Celá elektronika musí být od skříňky galvanicky oddělena. Drobný problém nastal s upevněním LCD displeje jehož připevňovací otvory jsou spojeny s digitální zemí přístroje. Čelní panel je vyroben z kuprextitu a displej i malé destičky s tlačítky jsou k němu připevněny mosaznými distanční sloupky připájenými k měděné ploše kuprextitu. Abych zajistil odizolování LCD displeje odfrézoval jsem kolem přípájených sloupků pro displej izolační mezery.

Oživení přístroje:

Lze říci, že přístroj pracuje na první zapnutí. Přesto však doporučuji oživit ho postupně po částech. Jako první osadíme spínaný zdroj s IC5. Na jeho vstup připojíme napětí mezi 15 až 20V. Na výstupu impulsního zdroje na kondenzátoru C8 by mělo být napětí 5V. Doporučuji pro jistotu osciloskopem zkontrolovat zda na výstupním napětí není superponované rušení ze zdroje. Výstupní napětí musí být naprosto čisté. Pokud je vše v pořádku můžeme pokračovat osazením oddělovacího DC/DC konvertoru DC1. Opět zkontrolujte čistotu výstupního napětí na kondenzátoru C10. Na výstupu by mělo být napětí 5V, já ale v mém kousku naměřil 5,3V. Není to však na závadu. Pokud je vše v pořádku připojte displej, MAX232 a do patice zasuňte naprogramovaný procesor.

Na obrázku vidíme nastavení pojistek při programování procesoru. Program pro procesor je zde: vf wattmetr2c.hex

. Po zapnutí musí být na displeji vidět naměřený výkon méně než -50dBm a hlášení mimo rozsah. Pokud se na displeji neobjevilo nic, nebo naopak jen černé čtverečky upravte kontrast displeje trimpem P1 tak aby bylo písmo čitelné. Na displeji můžete rovněž zapnout podsvícení. Pozor na typ displeje. U některých je podsvícení napájeno přímo z 5V, jinde je třeba použít předřadný odpor. To zjistíte z DS Vámi používaného displeje.

Pokud je vše v pořádku a displej ukazuje co má můžeme do základní desky nasunout a připojit vstupní jednotku. Pokud se po připojení vstupní jednotky rozsvítí displej a začne zobrazovat máme vyhráno. Znamená to že vstupní jednotka komunikuje s procesorem. Pokud displej zůstane prázdný nefunguje vstupní jednotka a je nutné hledat chybu. V tom případě nejprve zkontrolujte napájecí napětí digitální i analogové části. Pokud jsou v pořádku je nutné zkontrolovat komunikaci s procesorem. Ta probíhá následovně. Nejprve procesor shodí signál /CS na log 0. Tím dá vstupní jednotce pokyn k zahájení měření. Po ukončení měřícího cyklu oznámí převodník připravenost k předání dat shozením signálu DOUT na log 0. Na to čeká procesor. Dokud se tak nestane, procesor nic nezobrazí a proto byl displej prázdný. Po shození DOUT na log 0 začne procesor cyklovat signálem SCLK a číst předávaná data na výstupu DOUT. Musíme tedy najít příčinu proč takto komunikace neprobíhá. Po odstranění chyby začne displej zobrazovat nulový naměřený výkon a nereaguje na změny napětí na vstupu. To je v pořádku. Nemáme ještě nastavené kalibrační konstanty sondy a proto jsou naměřené hodnoty násobené 0 místo kalibrační konstantou. Abychom si mohli ověřit funkčnost převodníku, obsahuje program procesoru servisní rutinu která zobrazuje přímo naměřené napětí ve Voltech. Dostaneme se do ní když před zapnutím přístroje stiskneme tlačítko Reference a držíme ho během zapnutí. Po zapnutí přístroj ukazuje vstupní napětí ve Voltech. I bez připojeného vstupního napětí vidíme šumové napětí v řádu jednotek mikrovolt. Pokud je vše v pořádku, můžeme přístroj zkompletovat, připojit vstupní kablík a propojit ho s BNC konektorem na čelním panelu. Přístroj je hotov.

V případě že bude přístroj vykazovat vlastní šum větší než cca 5 µV je nutné najít chybu. Nějprve zkratujte pin IN+ a IN-. Šum musí být maximálně 1 až 2µV. To je vlastní šum převodníku. Odpojte odpory R11 a R12 a ponechte pouze propoj vstupu IN- na stínící ohrádku. Šum by měl být stejný jako ve zkratovaném stavu. Připojte odpor R11 mezi vstup IN+ a stínící ohrádku v místě průchodu přívodního kabelu ohrádkou. Šum vzroste ale neměl by přesáhnout jednotky µV. Nakonec připojte R12. Jeho vliv by neměl být moc znatelný. Vzhledem k nižší hodnotě by měl šumět méně než R11. Pokud připojení kteréhokoliv odporu má větší než uváděný vliv je nutné použít jiný kvalitnější typ.

Na samý závěr ještě vyzkoušíme komunikaci s PC. Připojíme Wattmetr k PC běžným sériovým kabelem. Procesor na sériový port posílá všechny naměřené hodnoty tak jak je zobrazuje na dspleji. To se může někdy hodit třeba při měření časové stálosti měřeného výkonu. Komunikaci můžeme sledovat nebo i ukládat na disk například hyperterminálem. Nastavení komunikace je 9600 bitů/s, 8 datových bitů, bez parity, 1 stop bit.

Měřící sonda

Podle provedení může být diodová sonda použita i do kmitočtů v řádech desítek GHz. Bohužel má málo kdo možnost sondu na takových kmitočtech měřit a nastavit kmitočtové kompenzace tak, aby byla kmitočtová charakteristika sondy vyrovnaná. Bez měření a kmitočtových kompenzací lze sondu postavit a používat cca do nějakých 2GHz. Sondu můžeme rovněž koupit. Nová kvalitní sonda je pro amatéra až příliš drahá. Na e-bay ale lze koupit sondy pro kmitočtové rozsahy DC až 2GHz nebo 2 až 18GHz za cenu okolo 100USD. Širokopásmovou sondu DC až 18GHz tam lze koupit za cenu kolem 200 USD.

Pokud se rozhodneme sondu postavit můžeme použít např. diodu BAT15. S ní lze postavit sondu od DC až do cca 6 GHz. Takový kmitočtový rozsah ale už vyžaduje možnost měření a nastavení kmitočtových kompenzací. Pokud tyto možnosti nemáme lze počítat že sonda bude použitelná do nějakých 1,5 - 2 GHz. K použití diody BAT15 nás vede několik důvodu. Tato dioda má poměrně dobré parametry, je levná a snadno k sehnání. Při použití Wattmetru se občas stane že diodu zničíme příliš velkým výkonem na vstupu sondy. Proto je důležité aby byla dioda snadno nahraditelná.

Vhodnější pro náš účel ale mnohem dražsí a hůře dostupné jsou diody Zero Bias. Například s diodou HSCH9161 autor konstrukce vyrobil sondu u které se mu podařilo vyrovnat kmitočtovou charakteristiku do 18GHz a podle jeho slov by patrně fungovala i výše ale tam už nemá čím měřit. Takováto dioda má i vyšší citlivost a proto je možné s ní podle slov autora měřit již od úrovně asi -55dBm.

Na obrázku vidíte schéma sondy. Později se ale ukázalo, že kondenzátor C1 negativním způsobem ovlivňuje kmitočtovou charakteristiku sondy. Proto byl v vynechán a na vstupu je přímo odpor 50Ω sestavený ze dvou SMD odporů velikosti 0608 nebo 0805 o hodnotě 100Ω. Následuje detekční dioda BAT15, kompenzační vedení TL1 a odpor R6. Tento nenápadný odpor má naprosto zásadní vliv na vyrovnanou kmitočtovou charakteristiku do nejvyšších kmitočtů. Již malá změna hodnoty tohoto odporu má značný vliv na zvlnění charakteristiky na vyšších kmitočtech. V profesionálních sondách je tento odpor na přesnou hodnotu trimován laserem. Pokud nemáme čím měřit na vysokých kmitočtech vedení TL1 vynecháme a osadíme pouze odpor R6. Sonda pak bude použitelná přibližně do 2GHz. Za R6 následuje blokovací kondenzátor C2. Měl by být použit kvalitní širokopásmově blokující kondenzátor bez vlastních rezonancí. Já použil speciální širokopásmový CCB kondenzátor s potlačenými vlastními rezonancemi. Lze ho koupit u www.rfmicrowave.it. Usměrněné napětí prochází přes odpor R2 do výstupního BNC konektoru. S vlastním Wattmetrem je sonda propojena tenkým koaxiálním kabelem s kvalitním opletením. Ukázalo se, že nekvalitní kablíky mohou produkovat malé šumové napětí a tím snižovat dynamický rozsah Wattmetru. Já použil velmi kvalitní stíněný kablík s postříbřeným stíněním. Navíc jsem na začátek a konec kabelu navlékl odrušovací ferity, které by měly omezovat rušení do kablíku z vnějšího prostředí.

Na obrázku vidíme mechanické provedení sondy. Důležidé je aby byla dutina ve které je sonda umístěna byla co nejmenší. Je to proto aby vlastní rezonance dutiny byly nad uvažovaným kmitočtovým rozsahem sondy. Já byl při stanovování mechanického provedení omezen průměrem BNC konektoru. Ovšem pro uvažovaný kmitočtový rozsah do 2 GHz je toto provedení jistě dostačující.

Použití přístroje

Používání přístroje je velmi jednoduché a do značné míry samovysvětlující. Proto není nutné psát nějaký rozsáhlý návod k použití. Takže jen stručně.

Před prvním použitím je nutné provést kalibraci alespoň jedné měřící sondy. To se dělá tak že připojíme sondu stiskneme tlačítko ATT/K a zapneme přístroj. Tím se dostaneme do kalibračního režimu. Přístroj nás nejprve vyzve k odpojení sondy od VF. Doporučuji na konektor sondy našroubovat zátěž 50Ω. Stiskem ATT/K potvrdíme a pokračujeme přivedením výkonových úrovní podle instrukcí přístroje. Ten si postupně vyžádá výkonové úrovně od -50dBm do +20dBm v pěti decibelových krocích. Tím se vytvoří pro danou sondu kalibrační tabulka. Naměřené výkony mezi těmito body se přepočítávají interpolací sousedních kalibračních bodů. Tak lze dosáhnout přesnosti měření kolem 0,1dB. Přístroj umožňuje uložit kalibrační křivky až sedmi sond mezi kterými můžeme přepínat.

Přístroj se ovládá čtyřmi tlačítky pod displejem a dvěma na boku. Tlačítky pod displejem se nastavují hodnoty předřadného útlumu nebo se jimi přepíná číslo použité sondy. Tlačítka na boku ovládají funkce.

Tlačítko ATT/K přepíná mezi nastavením čísla sondy nebo nastavením hodnoty předřadného útlumu. Přístroj umožňuje nastavit předřazený útlum a podle něj pak přepočítává skutečně naměřený výkon. Mužeme tak snadno přímo měřit i výkony řádu kW. Například mezi radioamatéry oblíbená a snadno dostupná směrová odbočnice Kathrein 792972 nám umožní měřit v pásmu 144MHz výkon asi do 1,5kW. Moje odbočnice má v pásmu 144MHz útlum 47,5dB. Tento útlum nastavíme jako předřadný a můžeme měřít. Přístroj provede potřebné převody a zobrazi správný výkon.

Tlačítko reference nám umožní zadat při měření referenční bod. Stiskem tohoto tlačítka se aktuálně měřený výkon zapíše jako referenční. Přístroj pak na druhém řádku displeje zobrazí rozdíl mezi současnou měřenou hodnotou a referenčním bodem. Tento stav ukazuje úvodní fotografie na této stránce. Referenční bod byl nastaven na 10dBm a pak byl výkon generátoru snížen na 7dBm. Tak můžeme snadno měřit zisky různých sesilovačů nebo rozdíly při ladění. Zadanou referenci zrušíme dlouhým stiskem tlačítka reference.

Přístroj si ukládá své aktuální nastavení, takže při jeho příštím zapnutí už nemusíme nic přepínat a můžeme rovnou měřit.