Měřič šumového čísla podle SQ4AVS.

Úvod.

Každý radioamatér zabývající se VKV technikou časem dojde k potřebě měřit šumové číslo zesilovačů a dalších komponentů v RX cestě. Před několika lety jsem postavil měřič, který byl kompetně analogový. Měřič fungoval ale s jeho parametry a především opakovatelností výsledků jsem nebyl příliš spokojen. Proto jsem se rozhodl pokusit se o nový měřič osazený tentokrát mikroprocesorem, který z naměřených analogových hodnot vypočítává velikost šumového čísla a zisku. Po zralé úvaze jsem pro svou konstrukci nakonec použil návrh SPANFI od SQ4AVS. Tento přístroj umožňuje nastavení hodnot ENR šumové hlavy v širokém rozsahu a dokáže rovněž měřit konvertory. Proto se mi tento návrh zdál nejlepší z měřičů které jsem porovnával. Předmětem mého popisu není princip měření. K tomu ani nejsem dostatečně fundovaný. Na této stránce bude popsaná pouze praktická realizace mého měřiče.

Popis konstrukce.

Konstrukce se skládá z VF analogové části, digitální časti a pomocných obvodů jako je zdroj a analogový zesilovač pro externí měření.

Digitální část

Digitální část je základ celého měřidla. jen s drobnými úpravami jsem ji převzal z webových stránek SQ4AVS. Bohužel je SQ4AVS nepříjemně skoupý na dokumentaci a na svých stránkách neposkytuje ani program pro procesor. Zachránila mě ale diskuze ruských radioamatérů kteří tento přístroj stavěli a kde jsem se potřebné věci dozvěděl a hlavně získal program pro procesor. Nic mi tedy již nebránilo začít se stavbou. Protože mé změny proti původnímu návrhu jsou minimální nemaloval jsem schéma ale použil jsem původní schéma SQ4AVS. Nově jsem namaloval jen DPS kvůli provedeným změnám které postupně popíšu v textu. Pokud někdo bude chtít postavit původní digitální desku klidně může - ničemu to nevadí. Funkční rozdíly zde nejsou.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou.

Srdcem celého přístroje je mikroprocesor ATMEGA8-16PU. V něm se zbíhají všechny potřebné údaje ze kterých procesor vypočítává šumové číslo a zisk měřeného objektu. Měřený objekt dále budeme nazývat anglickou zkratkou DUT. Výstupem z VF jednotky je stejnosměrné napětí které odpovídá šumovému výkonu na vstupu s převodem 25mV/10dB. Toto napětí je u mě odděleno od dalších obvodů pomocí dvojnásobného OZ AD8572. Zde je první drobná změna proti původnímu návrhu. Autor použil čtyřnásobný AD8574 a 3 OZ ponechal nevyužité. Patrně ho měl v šuplíku a tak ho použil. Já použil výrazně levnější AD8472 což je stejný obvod ale jen dvojnásobný. Vzhledem ke značné ceně obvodu to přineslo příjemnou úsporu. Navíc jsem druhý OZ použil pro oddělený výstup měřeného napětí pro externí použití. Za vstupním OZ je převodník A/D LTC1860 jehož výstup jde přímo do procesoru. Převodník pro svou funkci potřebuje referenční napětí 4,096V. Toto napětí nám vyrábí obvod U6 - TL431. Napětí je možno v malém rozsahu měnit. Tím můžeme kompenzovat případnou drobnou nepřesnost převodu VF dílu 25mV/10dB. Ve zmiňované ruské diskusi se mluví o případech kdy tento obvod zakmitával a celý měřič byl proto nestabilní. Doporučují tam v takovém případě vynechat C22 a v případě potřeby zmenšit i hodnoty C21 a C22. U mě se tyto problémy neprojevily. Ale přesto doporučuji zkontrolovat napětí 4,096V osciloskopem. Trimr R20 je kvalitní víceotáčkový abychom mohli nastavit přesné referenční napětí na 3 desetinná místa.

Autor vybavil přístroj měřením teploty sondy obvodem LM35. podle změřené teploty procesor kompenzuje ENR šumové hlavy. Předpokládá se umístění teplotní sondy přímo v šumové hlavě. Já ale chtěl zachovat kompatibilitu s profesionálními šumovými zdroji které jsou napájeny jen napětím 28V. Nakonec jsem se rozhodl pro kompromis a teplotní sondu mám umístěnou v malém hliníkovém bloku na čelním panelu přístroje. Je to kompromis mezi optimálním umístěním v šumové hlavě a umístením uvnitř přístoje kde by sonda neměla prakticky žádný význam. Procesor pro A/D převod naměřené teploty potřebuje referenční napětí 2,5V. To se získává v obvodu LM285-2.5. Pozor ! Tento obvod se vyrábí ve více napěťových variantách. Číslo za pomlčkou udává napětí. Pokud si toho tak jako já nevšimnete a použijete obvod ze šuplíku můžete se dočkat nepříjemného překvapení v podobě chybné hodnoty naměřené teploty.

Z vývodu 15 procesoru je napájen optron, který spíná výstupní napětí 28V pro šumovou hlavu. Zde je největší změna kterou jsem v zapojení provedl. Spínat šumovou hlavu přímo optronem není úplně optimální. V případě zkratu nebo přetížení tohoto výstupu by optron odešel. Inspiroval jsem se zapojením ze zmiňovaného ruského fóra a spínám šumovou hlavu výkonovým tranzistoren s proudovým omezením přibližně na 50mA.

Tak je zajištěno, že ani zkrat na výstupu nepoškodí spínací tranzistor. Při zkratu je na spínacím tranzistoru ztráta asi 1,5W a proto je nutné použít výkonový tranzistor s dostatečnou chladící plochou. Použil jsem tranzistor v pouzdru SOT369 a co největší plochu mědi na DPS. To by mělo pro uchlazení tranzistoru stačit. Součástky této modifikace jsou na DPS označeny indexem větším než 100.

Další modifikace je v použití SMD verzí obvodů TL431, AD8572 a LM285. V původní verzi byly na těchto místech běžné součástky s drátovými vývody.

O ostatních obvodech již nemá cenu se příliš šířit. Není na nich nic neobvyklého. Trimrem R13 se nastavuje kontrast displeje. Já jsem navíc zapojil i podsvícení displeje. Údaje na něm tak jsou lépe čitelné. K procesoru je rovněž připojena řada ovládacích tlačítek. Jejich významy popíšu v kapitole o ovládání přístroje. Poslední obvod je stabilizátor napětí 5V kterým je celá deska napájena. Je zde použit běžný stabilizátor 78L05. Napájecí napětí je rovněž chráněno transilem 5,6V. Autor konstrukce použil napájecí napětí 9V, já používám 12V není v tom žádný problém.

Oproti původnímu schématu ještě neosazujte krystal. Procesor se při programování nastaví na interní oscilátor 8MHz a krystal tak není třeba. Při použití krystalu 10MHz bylo časování AD převodníku LTC1860 příliš rychlé a občas se mohlo stát že některý kousek nefungoval. Proto bylo v citované Ruské konferenci doporučeno nastavení procesoru na interní oscilátor.

J7 je kontrolní konektor na kontrolu stavu výstupu procesoru. Normálně nezapojený. Používal jsem ho při testování zapojení bez připojení napětí 28V.
Výstup 5V out - jde o výstup stabulizovaných 5V kdybych je náhodou někde v přístroji později potřeboval. Nakonec tento výstup zůstal nevyužitý.
RESET - používá se především při programování procesoru.

Při zapojení tlačítek se ukázalo, že jsou ve schématu zapojení chyby v popisu funkcí připojených tlačátek. Proto zde popíšu zapojení všech tlačítek abyste nemuseli tak jako já laborovat s jejich připojením do DPS:

 Kalibrace - je připojena na PIN 18 procesoru
 Servis - tlačítko je připojeno přes diody na PINY 16 a 17.
 INFO - Tlačítko je připojeno na PIN 16 procesoru
 RF=IF - Tlačítko je připojeno na PIN 17 procesoru
 ENR RF DOWN - Tlačítko je připojeno na PIN 14 procesoru
 ENR RF UP - Tlačítko je připojeno na PIN 13 procesoru
 ENR IF DOWN - Tlačítko je připojeno na PIN 12 procesoru
 ENR RF UP - Tlačítko je připojeno na PIN 11 procesoru

Stavba a oživení digitální desky:

Na digitální desce jsem nenašel žádné záludnosti. V podstatě funguje na první zapojení. Jen je třeba nastavit kontrast displeje a referenční napětí pro převodník. Přesto však doporučuji osazovat jednotlivé komponenty postupně aby případná chyba nezničila víc než je nutné.

Nejprve osaďte zdroj napětí 5V - U7 a ověřte správné výstupní napětí. V původní dokumentaci je použit "velký" 7805, ale já jsem na své DPS použil 78L05. Pro napájení desky bez problému postačí. Dále osaďte referenci U6 a trimrem R20 nastavte referenční napětí přesně na 4,096V. Doporučuji zkontrolovat toto napění osciloskopem. Může se totiž stát, že ubvod bude kmitat. V tom případě je potřeba odstranit filtrační kondenzátor C22 a možná i snížit kapacitu C21. Z DS obvodu TL431 je zřejmé, že tento obvod "nerad vidí" kapacitu na svém výstupu. dále Osaďte referenci LM385 a zkontrolujte výstupní napětí 2,5V. Pokračujeme převodníkem teploty Q1. Na jeho výstupu by mělo být napětí odpovídající teplotě ve stupních Kelvina. Potom můžeme osadit obvody spínající napětí pro šumovou sondu. Přivedením napětí +5V před odpor R5 otestujeme sepnutím výstupního napětí 28V pro sondu. Připojením odporu cca 470Ω a miliampérmetru zkontrolujeme proudové omezení na cca 50mA. Hodnotu Proudu pro omezení lze nastavit odporem R101. Jeho hodnota je 15Ω pro proudové omezení přibližně na 50mA. Zbývá osadit OZ AD8572, Převodník LTC1860 a procesor. Procesor lze naprogramovat programátorem mimo DPS nebo i přímo v DPS. Já pro programování použil nejjednodušší sériový programátor a program Ponyprog. Připojil jsem se přímo do DPS na jednotlivé programovací piny procesoru krátkými drátky od programátoru a tak procesor naprogramoval. Na následujícím obrázku je vidět nastavení "fuses" procesoru:

Toto nastavení platí pro použití interního oscilátor 8MHz. Není třeba osazovat krystal. Pokud budete chtít použít krystal musíte použít krystal 8MHz a přísluště upravit nastavení "Fuses" procesoru. Aktuální program verze 1.3 je nastaven na kmitočet oscilátoru 8MHz.

Zde si můžete stáhnout Firmware verze 1.3 pro procesor přístroje.

Po odpojení programátoru už lze měřič zapnout a používat. Po zapnutí ještě musíme nastavit kontrast displeje trimrem R13. Po prvním zapnutí je nutné nejprve nastavit ENR a provést kalibraci přístroje.

Vysokofrekvenční část

Vysokofrekvenční část jsem upravil trochu víc. V původní konstrukci se připojovaly filtry pouze externě. Já jsem ale chtěl mít alespoň pásma 144 a 432MHz obsažená přímo v přístroji a přepínaná z čelního panelu. Ostatní pásma můžeme jako v původní konstrukci připojovat externě přes konektory na čelním panelu. V budoucnu dále plánuji pokusit se vyrobit z televizního tuneru externí filtr přelaďovaný v širokém rozsahu.
Zásadní změna je ovšem v tom, že jsem filtry umístil až za 2 stupeň zesilovače. Když jsem použil úzký filtr (cca 2 MHz) za prvním stupněm jako to má SQ4AVS ukázalo se že šum úzkopásmového prvního stupně nedokáže přešumět následující 2 širokopásmové stupně. Měřič pak nešel zkalibrovat a neměřil správně. Na kmitočtu 432MHz kde byl filtr široký 10MHz už měřič fungoval správně.
Další změna je v použití jiných MMIC než použil autor v původní konstrukci. Důvod je jednoduchý. Ve chvíli kdy jsem zesilovač začal navrhovat náhle nebyly k sehnání ERA3 použité v původní konstrukci. Nahradil jsem je obvody AVT53663 které mají velmi podobné vlastnosti ale jsou o maličko lepší v šumovém čísle a odolnosti. Další příjemný "parametr" je jejich cena. U Farnella jsem je koupil přibližně za 20kč.

Ze vstupního konektoru který je umístěn přímo v čelním panelu přístroje jde signál přes kombinaci oddělovacích kondenzátorů do prvních dvou zesilovacích stupnů které jsou osazeny uvedenými obvody AVT53663. Mezi druhým a třetím zesilovacím stupněm jsou PIN diodami přepínané filtry. Filtry pro 144MHz a 432MHz jsou osazeny přímo na DPS, ostatní se připojují přes SMA konektory X2 a X3. Filtr 432MHz je osazený tříobvodovou Helical propustí Neosid 80081. Ta má útlum něco přes 2dB. Filtr 144MHz je tvořen tříobvodovou pásmovou propustí s útlumem něco přes 4dB. Pro navinutí cívek jsem použil běžné Pardubické kostřičky. Abychom dosáhli nízkého útlumu je zde nutné použít součástky s vysokou jakostí.

Aby byl přístroj maximálně univerzální jsou na čelní panel vyvedeny konektory pro externí volitelný filtr, který nám umožní měřit na libovolné frekvenci od DC až do kmitočtů přes 500MHz.

Z filtrů signál pokračuje přes diodový přepínač do dalšího zesilovacího stupňem osazeným obvodem AVT53663. Celý zesilovač by měl mít zisk přes 60dB. Pokud naměříte méně je nutné hledat chybu. Za zesilovačem je zapojen logaritmický detektor AD8307. Tento obvod převádí výstupní VF signál na stejnosměrné napětí s převodní charakteristikou 25mV/dB. Toto stejnosměrné napětí je vedeno k dalšímu zpracování do vstupu digitální desky. Před detektorem je odbočen přes cca 30dB útlumový článek výstup pro monitorování procházejícího signálu. Tento výstup můžeme použít např. při slaďování filtrů, měření zisku celého zesilovače a podobně.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou.

Oživení VF části

VF díl je třeba stavět po částech jejichž vlastnosti lze snadno změřit před jejich připojením do celku. Pro většinu lidí bývá největší problém nastavit pásmové propusti a proto začneme jimi. Osaďte všechny součástky filtru pro 144 a Helical propust pro 432MHz včetně oddělovacích kondenzátorů C36 a C37. Další postup záleží na technice kterou máte k dispozici. Ideální je použít VNA. Já používám přístroj VNWA což je velmi levné VNA s až překvapivě dobrými vlastnostmi. S tímto přístojem je nastavení hračka. Z výstupu z VNA přivedeme krátkým kabelem signál na vstup propusti a z výstupu propusti signál vrátímě krátkým kabelem zpět do vstupu VNA. Vše nastavujeme na impedanci 50Ω. Nejprve hrubě naladíme propusti na požadovanou propustnou charakteristiku (S21). Když křivka odpovídá naším představám jemně doladíme propust na nejlepší odrazy (křivka S11). Při tomto nastavení se již tvar křivky S21 příliš nemění. Při nastavení na optimální odraz můžeme u propusti 144MHz v malém rozsahu měnit i hodnoty vazebních kapacitních děličů na vstupu i výstupu. Cílem je dosáhnout odrazy pod cca -20dB. Pokud se nám podaří takových hodnot dosáhnout máme jistotu že je obvod správně naladěn a má minimální dosažitelný útlum. U fitru pro pásmo 432MHz je vstupní vazba součástí konstrukce Helicalu a nemůžeme ji tedy měnit a naladit na optimální přizpůsobení. Jak je ale z měření vidět je přizpůsobení velmi dobré.

Kdo nemá nějaké VNA bude se muset spokojit s nastavením pomocí wobleru nebo spektrálním analyzátorem s tracking generátorem. Bez těchto přístrojů v podstatě nemá smysl se do nastavení pouštět. Nastavovat 3 obvodovou propust jen generátorem a VF voltmetrem by byla Sysifovská práce, o jejímž výsledku nejsem příliš přesvědčen. Fakt ale je že i tato metoda se dříve běžně používala.

Jako další část práce osadíme stabilizátor 9V IC5 a součástky kolem něj a zkontrolujeme jeho výstupní napětí 9V. Pak osadíme všechny součástky kolem detektoru AD8307 včetně stabilizátoru napětí 78L05. Přivedeme napájecí napětí a zkontrolujeme výstupní napětí stabilizátoru 5V. Pokud je vše v pořádku osadíme i detektor AD8307. Nezapomeňte osadit i Odpor R9 a kondenzátory C57 a C58. Tyto součástky zajišťují vstupní impedanci detektoru 50Ω. Po zapnutí by na výstupu z detektoru mělo být napětí přibližně 0,23 až 0,24V. Pokud je vše v pořádku osadíme i třetí zesilovací stupeň IC3. Zesilovač je osazen obvodem MMIC AVT53663. Po zapnutí zkontrolujeme napětí přibližně 5V na výstupu obvodu IC3. Pokud je vše v pořádku opět změříme napětí na výstupu detektoru. Tentokrát by napětí mělo být přibližně 0,53V. Pokud je vše v pořádku osadíme i první dva sesilovací stupně. Ty jsou opět osazeny obvody AVT53663. Po kontrole napětí přibližně 5V na výstupech obou MMIC můžeme začít měřit vlastnosti celého VF dílu.

Na obrázku vidíme převodní charakteristiku VF dílu. Je krásně vidět lineární část ve které se pohybujeme při měření a limitaci zesilovačů v horní části křivky. V pásmu 70cm se použité MMIC dostávají do limitace při nižším výkonu než v pásmech 144MHz a nižších. V dolní části křivky vidíme jak se liší náběhy křivek. V pásmu 144MHz máme užší filtr než na 70cm což znamená nižší šumový práh. Když jsem měl VF díl zapojený podle SQ4AVS rozdíl v šumovém prahu nebyl znatelný. Ještě nižší je šumový práh v pásmu 14MHz protože je šířka filtru cca 0,8MHz.

Jako další změříme propustné charakteristiky celého VF dílu. Pro snadné měření mám před detektorem udělanou odbočku VF signálu do výstupního konektoru X4. Přes útlumový článek přibližně 30dB na tomto konektoru můžeme sledovat vstupní signál do detektoru. Výstupní konektor z VNA připojíme do vstupního konektoru VF dílu a vstup VNA propojíme se vstupním konektorem VNA. Přepínáním filtrů pak můžeme sledovat jejich charakteristiky v zapojení. Dle potřeby filtry doladíme abychom dosáhli správných charakteristik.

Obrázek znázorňuje propustné charakteristiky při zapnutém filtru 144MHz, 432MHz a při zapnutém externím filtru kdy jsou konektory externího filtru propojeny koaxiální spojkou. Koaxiální spojku znázorňuje zelená křivka v horní části obrázku. Celkový zisk VF dílu by měl být větší než 60dB. Při měření byl proto použit na vstupu VF dílu proměnný atenuátor který eliminuje zisk VF dílu.

Konstrukce VF dílu je jednoduchá. Základ tvoří oboustranná DPS. Z jedné strany je vyleptán motiv plošných spojů, z druhé strany je ponechána zemní plocha vcelku. Na řadě míst jsou země horní i spodní plochy propojeny prokovy. Ty jsou znázorněny čtverečkem s dírkou. Prokovy podomácky vyrábím tak, že nastříhám krátké kousky Cu drátu o průměru 1mm. Ty nastrkám do otvorů a z obou stran roznýtuji. Pak prokov ještě z obou stran propájím. V místech průchodů vývodů součástek na horní stranu musí být kolem díry odfrézována horní zemní fólie aby nedošlo ke zkratu zývodu na zem. Za tím účelem jsem si vybrousil frézičku ze zlomeného vrtáku o průměru 3mm. Tvarem tato frézička připomíná plochý vrták do dřeva. Středním trnem se nasadí do díry a břity odfrézují kroužek mědi kolem díry. Celá DPS je z obou stran zapájena do ohrádky z tenkého pocínovaného plechu. Vstupní konektor je typu N. Prochází čelním panelem a je s ním a ohrádkou DPS prošroubován. Matičky jsou připájeny na vnitřní straně ohrádky DPS. Z boku jsou umístěny konektory X2 až X4 typu SMA. Ty jsem k ohrádce z vnější strany připájel. Kryty cívek filtru 144MHz jsou připájeny i z horní strany k zemní ploše a kryty jsou na horní straně ještě navíc propájeny mezi sebou.

Použití přístroje

Přístroj se zkládá ze dvou základních dílů. První je vlastní měřič šumového čísla a druhý je zdroj šumu. Zdroj šumu Je umístěn v malé sondě, která je zapájena z měřiče šumového čísla. Princip měření je velmi jednoduchý. Zdroj šumu se střídavě zapíná a vypíná a my měříme rozdíly šumového výkonu mezi stavy zapnuto / vypnuto na výstupu měřeného objektu. V literatuře se stav zapnutého zdroje šumu označuje jako HOT (horký) a vypnuto se označuje jako COLD (studený). Měřený objekt se pak obvykle označuje jako DUT. My se tímto názvoslovím budeme taky řídit. Procesor přístroje ze známého ENR zdroje šumu a naměřených hodnot HOT a COLD vypočítá šumové číslo. Výpočet je jednoduchý a mnohokrát v literatuře popsaný. Není tedy důvod ho zde znovu popisovat.

Po zapnutí přístroje se vypíše značku autora a verzi firmware 1.3. Pak přístroj přejde do měřícího režimu. V horním řádku displeje je zobrazeno šumové číslo a v dolním zisk měřeného DUT. Při prvním zapnutí je ještě nutné zadat ENR našeho zdroje šumu a provést kalibraci. Dokud neprovedeme první kalibraci je údaj o šumovém čísle na displeji nahrazen nápisem "NAN". Nebo tak Nějak :-). Jakmile provedeme první kaliraci nápis zmizí a již se neobjeví. Proto si nejsem přesným nápisem jistý. Přístroj je vhodné po zapnutí ponechat cca 20 minut zahřát. Těsně po zapnutí trochu ujíždí naměřené hodnoty. Při prvním použití přístroje nebo změně měřícího kmitočtu musíme nastavit správné ENR zdroje šumu pro používaný kmitočet. Tlačítky RF ENR+ nebo RF ENR- přidáváme či ubíráme nastavenou hodnotu ENR. Tlačítkem "=" nastaváme IF ENR na stejnou hodnotu jako RF ENR. Tlačítkem INFO můžeme nastavenou hodnotu ENR zkontrolovat. Pokud máme nastavené ENR je měřič připraven k činnosti a můžeme začít měřit.

Před vlastním měřením nejprve musíme přístroj zkalibrovat. Přepneme přístroj na požadovaný kmitočet na kterém budeme měřit. V případě potřeby můžeme připojit externí filtr. Připojíme zdroj šumu přímo do vstupu měřiče a stiskneme tlačítko CAL. Přístroj provede kalibraci. Tento proces trvá asi minutu. Po ukončení kalibrace musí je na displeji údaj o zisku i šumovém čísle vynulován. Odpojíme zdroj šumu od měřiče a připojíme ho do vstupu DUT. Výstup DUT koaxiální propojkou pžipojíme do vstupu měřiče šumu. Na displeji se po chvíli ukáže naměřená hodnota zisku a šumového čísla. Ve verzi firmware 1.3 není nutné kalibrovat po každém zapnutí. Přístroj si pamatuje předchozí kalibraci a po zapnutí ji použije. Tak můžeme vyvolat kalibraci jen tehdy když je to nutné - tedy při změně kmitočtu nebo když chceme měřit opravdu přesně.

Když měříme konvertory musíme v setupu přístroje nastavit ENR RF i ENR IF. Do ENR IF nastavíme ENR našeho zdroje šumu na vstupním kmitočtu konvertoru. Do ENR IF pak nastavíme ENR zdroje šumu na mezifrekvenčním kmitočtu - tedy na kmitočtu na který je nastaven měřič šumu. ENR IF musíme nastavit proto, že na tomto kmitočtu přístroj kalibrujeme. Při měření konvertorů nebo jiných zařízení s vnitřním oscilátorem musíme dát pozor na to aby do výstupu nepronikal oscilátorový kmitočet. Já se kupříkladu pokoušel změřit můj konvertor 144/14MHz který popisuji na jiném místě těchto stránek. Bohužel přístroj ukazoval naprosté nesmysly. Kontrolou pomocí spektrálního analyzátoru jsem zjistil, že oscilátorový kmitočet 130MHz je ve výstupu ve značné úrovni cca -30dBm. Vstup KV rádia tento signál hravě potlačí. proto jsem se při konstrukci konvertoru nepokoušel tento nežádoucí signál potlačit. Nepočítal jsem ale s tím, že tak vysoká úroveň znemožní měření šumu. Nezbývalo mi než za konvertor zařadit dolní propust na 14MHz. Pak už jsem konvertor bez problémů mohl měřit. Takže pozor na signály které by mohly zahltit širokopásmový vstup přístroje včetně signálů které by mohly procházet z pásma.

Jak je vidět, použití přístroje je opravdu jednoduché. Bohužel je ale velmi nepříjemná dlouhá odezva přístroje na stisknutí tlačítek. Často trvá několik sekund než se tlačítkem volená funkce skutečně aktivuje. Bohužel v této verzi hardware již podle SQ4AVS není možné s tím něco udělat. Musel by použít jiný procesor. Další problém je, že přístroj často naměří výrazně jiný zisk než DUT opravdu má. Zde ale nevím čím je problém způsoben.

Zdroj šumu

Na internetu lze nalézt celá řada různých zdrojů šumu pro podobné měřiče. Ideální je koupit originální zdroj šumu, ale jeho cena je velmi vysoká. Proto se řada amatérů vydává cestou stavby šumového zdroje. Pak nám ale vyvstává otázka jak takový vyrobený zdroj šumu ocejchovat. Ke každému zdroji šumu totiž potřebujeme kalibrační křivku, která nám udává ENR zdroje na různých kmitočtech. Vzhledem k velmi vysokým cenám zdrojů šumu jsem se i já rozhodl pro stavbu přestože otázku kalibrace zdroje zatím nemám vyřešenou.

Návodů na stavbu zdrojů šumu na internetu najdeme spoustu. Lze použít v podstatě každý aktivní prvek který šumí. Používají se např. přechody zenerových diod, přechody diod i tranzistorů. Lze použít i skutečné šumové diody. Pozor ale na zastaralé germaniové diody Tesla v koaxiálním pouzdře. Tyto diody mají velkou teplotní závislost, takže přesné měření v podstatě není možné. Kdysi dávno jsem k původnímu analogovému měřiči vyrobil zdroj šumu osazený VF tranzistorem. Zdroj funguje ale neznám rozsah kmitočtů ve kterých je použitelný. Pro popisovaný měřič jsem se rozhodl vyrobit kvalitní zdroj šumu od 10MHz do 10GHz. Požadavky na takový zdroj jsou velmi vysoké. Nutná je nízká teplotní závislost a vyrovnané kmitočtové rozložení šumu. Udělat zdroj který má v tak širokém frekvenčním rozsahu vyrovnanou charakteristiku je oříšek i pro chytřejší lidi než jsem já. Naštěstí jsou takové konstrukce již na internetu popsané. Stačí jen sehnat potřebné součástky a můžeme stavět. Já jsem se rozhodl pro zdroj šumu osazený šumovou diodou NS303. Tato dioda je k dostání na www.rfmicrowave.it. V jejich katalogu diod je i velmi podrobný popis výroby zdroje šumu s uvedenou diodou převzatý z VHF Communications 1/2007. Ten doporučuji podrobně pročíst. Je tam popsána řada zajímavých poznatků které lze využít i jinde než u naší sondy. Kritickým místem jsou vazební a blokovací kondenzátory okolo šumové diody. My jsme koupili celou sadu kritických komponent rovněž na rfmicrowave.it.

Dokonce nám v průběhu objednávání nabídli i originální DPS na mikrovlném substrátu. Takže jsme vlastně dostali skoro kompletní stavebnici a stačilo nasypat součástky na DPS, vyfrézovat pouzdro zdroje šumu z duralu a sonda byla skoro hotová. Trochu problém byl s mikrovlnými attenuátory na DPS u výstupu zdroje šumu. Nakonec jsme je koupili u Digikey. Bohužel se nám podařilo koupit atenuátory v pouzdže 0805 které jsou nepatrně menší než pro jaké je navržena DPS. Rozdíl ale není velký, takže jsme nakonec tyto atenuátory použili. Přesto ale doporučuji koupit ty správné. Malý problém nastal také s tím že DPS je navržena pro použití připevňovacích šroubků M1,4. Tak malé závitníky ale nemám a tak jsem nakonec dírky převrtal frézou o průměru 2mm a zároveň jsem středy děr posunul dovnitř DPS aby se do frézované rakvičky vešly hlavy šroubů M2.

Důležité je rozhodnutí, jaké ENR má zdroj šumu mít. Obvyklá bývá hodnota okolo ENR = 15dB. V různých pramenech na internetu se ale doporučuje pro měření velmi malých hodnot šumového čísla ENR nižší - typicky 5dB. Protože jsem se obával toho abych se nedostal pod 5dB rozhodl jsem se pro kompromis s ENR 8 až 9dB. ENR sondy lze hrubě nastavit atenuátory za šumovou diodou a jemně proudem procházejícím diodou. Atenuátory jsou v šumové sondě 2. Jeden je přípájen přímo na DPS, druhý je pak jako externí SMA útlumový článek přišroubován na výstupní konektor. Já jsem na DPS použil článek s útlumem 10dB a jako externí článek jsem použil kvalitní SMA útlumový článek s úutlumem 12,5dB. Tento článek by měl být velmi kvalitní a proto jsem použil útlumový článek od firmy MaCom s kmitočtovým rozsahem DC až 18GHz a kalibračním listem. Na e-bay jsem takový článek koupil za cca 450kč což považuji za celkem přijatelné. Doporučuji tento útlumový článek nechat trvale našroubovaný na zdroji šumu a nepoužívat ho pro nic jiného. Tak zajistíme že se nám v průběhu času nebude měnit ENR.

V popsaném provedení jsem při proudu šumovou diodou 10mA dosáhl v pásmu 144MHz ENR cca 7,2dB. Pokud budete chtít dosáhnout jiného ENR můžete změnou hodnoty atenuátorů nastavit Vámi požadovanou hodnotu. Při proudu 8mA bylo ENR asi o 1dB větší. V popisu sondy jsou ale ukázány grafy z měření hotových sond které naznačují že při proudu 10mA má šumový zdroj vyrovnanější kmitočtovou charakteristiku a širší kmitočtový rozsah. Svoji sondu jsem zatím neměl možnost v celém kmitočtovém rozsahu změřit takže jsem se řídil uvedeným popisem.

Oživení sondy je jednoduché. Je potřeba pouze nastavit proud šumovou diodou. Ten se nastavuje víceotáčkovým trimrem vedle zdroje proudu a měří se pomocí úbytku napětí na odporu R2. Doporučuji nejprve Šumovou diodu nezapojovat. Na její místo připojte mA-metr. Na BNC konektor připojte napájecí napětí cca 12V a trimrem nastavte proud 10mA. Pokud je vše v pořádku odpojte mA-metr a připájejte šumovou diodu. Zvyšte napájecí napětí na 20 - 28V a překontrolujte proud diodou pomocí úbytku napětí na R2. Pak zkontrolujte napětí na šumové diodě. Mělo by tam být okolo 12V. Šumová dioda se chová podobně jako zenerova dioda.

Konstrukce sondy musí být robustní aby nedocházelo k mechanickému pnutí které by mohlo zničit SMD součástky na DPS. Proto je sonda umístěna ve frézované "rakvičce". Výkres mechanických rozměrů frézovaného bloku je zde a mechanické rozměry víka rakvičky zde.

Za povšimnutí stojí "podivný" závit M9,5 pro BNC konektor. Na konektoru je závit s vnějším průměrem 9,5mm a stoupáním 0,75mm. Pravdpodobně nejde o metrický závit. Já jsem jej vyrobil tak, že jsem ho vyřízl závitníkem M10x0,75 číslo 1. BNC konektor šel krásně zašroubovat a pevně drží. Otvory pro připevňovací šroubky DPS a pro šroubky držící víko jsem do výkresu nemaloval. Každý si je udělá podle svých potřeb a svrtá je přímo s DPS a víkem. Nezapomeňte do dna rakvičky vyfrézovat vybrání pod odpory R3 až R5. Tím se sníží kapacita uvedených odporů proti zemi což je nutné pro dosažení vyrovnané kmitočtové charakteristiky.

Externí filtry

Pro měření jiných knitočtů než 144 a 432MHz používáme externí filtry. Použil jsem podobně jako u filtru 144MHz tříobvodové filtry v nejběžnějším zapojení. Schéma zapojení je u všech filtrů stejné, liší se jen hodnoty součástek.

Filtr je osazen na malé DPS a zapájen do plechové ohrádky která je z obou stran opatřena plechovými víčky. Vstup i výstup filtrů je osazen SMA konektory které jsou připájeny k plechové ohrádce. Horní strana DPS tvoří celistvou zemní plochu. Na spodní straně jsou spoje. Horní a dolní strana DPS je na mnoha místech propojena prokovy. Ty jsou vyrobeny stejně jako u VF desky. Hotový filtr se pak krátkými SMA kablíky připojuje k SMA konektorům na čelním panelu měřiče. Propojky musí být co nejkratší a filtry dobře stíněné aby nedošlo k pronikání nežádoucích signálů z okolí do širokopásmových zesilovačů měřiče.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou. Protože jsem věděl že budu postupně vyrábět další filtry vyrobil jsem i Klišé pro výrobu osmi kusů DPS najednou. Vyrobil jsem tedy najednou 8 destiček pro filtry a tak mohu kdykoliv snadno a rychle vyrobit další filtr v okamžiku kdy vznikne potřeba měřit na kmitočtu pro který ještě nemám filtr k dispozici

Pro výrobu filtru jsem použil své oblíbené "Pardubické" kostřičky s kryty. Kryty je vhodné připájet k DPS i na horní straně DPS alespoň u filtrů pro vyšší kmitočty. Kryty jsou zároveň nahoře propájeny mezi sebou. Tak dosáhneme vyšší mechanické stability filtru a lepšího stínění. Jádra jsou v kostřičce zajištěna proužkem igelitu. Igelit je lepší materiál než gumičky nebo molitan které se dříve často používaly. Igelit totiž neztrácí časem své vlastnosti a nehrozí uvolnění jadérka nebo naopak jeho zaseknutí jako tomu často bývalo u ostatních materiálů. Kondenzátor C7 je vždy umístěn přímo na vyvodech cívky uvnitř krytu.

Rozpiska součástek filtrů pro různé kmitočty

Filtr 14MHz
=============================================
C1=C5 - 390p
C2=C6 - 1k
C7    - 160p
C3=C4 - 10p
L1=L3 - 11,25z drátem o 0,5mm, jádro N02
L2    - 12,75z drátem o 0,5mm, jádro N05
					
Filtr 28MHz
=============================================
C1=C5 - 150p
C2=C6 - 560p
C7    - 39p + 2,2p paralelně
C3=C4 - 2,2p
L1=L3 - 6,75z drátem o 0,45mm, jádro N02
L2    - 12,75z drátem o 0,45mm, jádro N02

Filtr 50MHz
=============================================
C1=C5 - 86p
C2=C6 - 330p
C7    - 22p
C3=C4 - 1,2p
L1=L3 - 5,75z drátem o 0,8mm, jádro N01
L2    - 9,75z drátem o 0,45mm, jádro N01

Stejnosměrný zesilovač

Stejnosměrný zesilovač tvoří doplněk přístroje který má rozšířit jeho možnosti. Má sloužit k měření šumu slunce. Kdo toto měření nepotřebuje nemusí ho vyrábět. Měření šumu slunce EME stanice používají pro kontrolu zisku antén. Jsou k dispozici tabulky které udávají jaké hodnoty šumu slunce bychom měli určitou anténou naměřit. Měřením šumu slunce nejsnadněji posoudíme kvalitu anténního systému. Rovněž nám umožňuje posouzení aktuálního stavu anténního systému pokud máme k dispozici výsledky předchozích měření. Princip měření je jednoduchy. Nastavíme antény na studenou část oblohy a vynulujeme naměřenou hodnotu šumu. Pak otočíme antény na slunce a odečteme hodnotu šumu. Toto měření nám rovněž umožňuje přesné nastavení azimutu i elevace antén na největší šum slunce a tím přesně korigovat odchylky směrování antén. Není neobvyklé, že se maximum zisku antén neshoduje přesně s optickým směrováním a tato metoda nám umožní přesné směrování antén.

Zesilovač je jednoduchý. Tvoří ho dva zesilovací stupně. Na vstup zesilovače se přivádí signál 25mV/db který vyrábí detektor ve VF dílu. Ten je veden do digitální desky kde se rozdělí na 2 cesty obvodem Q4. Jedna cesta jde ke zpracování v digitální desce a druhá je vedena ke stejnosměrnému zesilovači. První stupeň stejnosměrného zesilovače IC1D zesiluje 4x, takže vstupní hodnotu 25mV/dB zesílí na snadno odečitatelných 100mV/dB. Druhý stupeň IC1C zesiluje 10x takže na jeho výstupu je 1V/dB. Abych mohl vynulovat počáteční výchylku měřidla přivádím do neinvertujícího vstupu prvního zesilovače proměnné napětí, jehož změnou nastavíme nulu na výstupu zesilovač. Pro dosažení dobré stability nastavené nuly je proměnné napětí získáváno ze stabilizátoru IC2 přes oddělovací zesilovač IC1A. Zesilovač IC1B zůstává nevyužit. Potenciometr kterým se nastavuje nula je dobré použít víceotáčkový. Nastavení je poměrně citlivé. Vstupní napětí 25mV/dB i obě výstupní napětí jsem vyvedl na zdířky na zadním panelu takže k nim snadno připojíme běžmý multimetr a můžeme měřit. Nulovací potenciometr jsem rovněž umístil na zadní panel. Jeho použití se předpokládá v terénu kde máme k zadnímu panelu snadný přístup a na předním panelu už mnoho místa nezbylo.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou.

Zdroj.

Obvykle ve svých konstrukcích píši že na zdroji není co popisovat. Tentokrát je ale zdroj zapojen trochu neobvykle.

Potřeboval jsem získat 3 napětí - +12V, -12V a +28V. Všechna napětí mají společnou zem. Protože jsem neměl k dispozici transformátor se třemi sekundárními vinutími s vhodnými napětími vyrobil jsem nakonec potřebná napětí z transformátoru s jedním vinutím cca 12V. Hlavní napájecí napětí +12V používá běžný můstkový usměrňovač a stabilizátor 12V. Zvývající napětí jsou získána pomocí diodových zdvojovačů napětí. Napětí -12V je pak stabilizováno pomocí IC2 v běžném zapojení. Napětí +28V je stabilizováno obvodem IC3, který je navíc "podložen" dvěma křemíkovými diodami. Napětí se stabilizuje vůči výstupnímu napětí +12V. Tímto poněkud kostrbatým způsobem jsem získal z jediného vinutí transformátoru 3 potřebná napájecí napětí.

Ještě jedno upozornění je nutné. Po realizaci zdroje se ukázalo, že chladič namalovaný na obrázku DPS nestačí a musel jsem ho podstatně zvětšit. Ale s takovou drobností si jistě každý poradí.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou.